WO2018151118A1 - 固体電解質組成物、固体電解質含有シート及びその製造方法、全固体二次電池及びその製造方法、並びに、ポリマー及びその非水溶媒分散物 - Google Patents
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- C08J2375/00—Characterised by the use of polyureas or polyurethanes; Derivatives of such polymers
- C08J2375/04—Polyurethanes
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- C08J2377/06—Polyamides derived from polyamines and polycarboxylic acids
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Definitions
- the present invention relates to a solid electrolyte composition, a solid electrolyte-containing sheet and a method for producing the same, an all solid secondary battery and a method for producing the same, and a polymer and a non-aqueous solvent dispersion thereof.
- An all solid secondary battery such as an all solid lithium ion secondary battery has a negative electrode, a positive electrode, and an inorganic solid electrolyte (SE: Solid Electrolite) sandwiched between the negative electrode and the positive electrode, and an ion is interposed between both electrodes It is a storage battery capable of charging and discharging by reciprocating (for example, lithium ion).
- SE Solid Electrolite
- the above-described all solid secondary battery uses an inorganic solid electrolyte, and thus no organic electrolyte is required.
- the production of the all solid secondary battery can be performed by sequentially laminating the electrode layer forming the negative electrode or the positive electrode and the solid electrolyte layer forming the inorganic solid electrolyte.
- each layer can be enlarged and processed. As a result, it is possible to realize high output or high capacity of the all solid secondary battery.
- the electrode sheet to be an electrode layer or the solid electrolyte containing sheet to be a solid electrolyte layer.
- a method of improving the adhesion (binding) between a binder and an inorganic solid electrolyte or the like by using a solid electrolyte composition containing an inorganic solid electrolyte or the like and a binder As such a binder, Patent Document 1 describes fluororubber (VDF-HFP).
- Patent Document 2 describes a binder composition containing a polymer having a specific structural unit and a specific functional group, and a liquid medium.
- Patent Document 3 describes a polymer having a hard segment and a soft segment.
- the inventors of the present invention have studied from the standpoint of industrial production of an all-solid secondary battery using such a solid electrolyte layer. As a result, it has been found that not only the above-mentioned adhesion but also the toughness of the solid electrolyte layer is important in order to improve the production suitability of the all-solid secondary battery and to improve the yield by the method described above. .
- Each sheet is usually stored temporarily after production. Therefore, even if the electrode layer or the solid electrolyte layer is in contact with the back surface of the sheet, a characteristic (scratch resistance) that hardly causes defects such as scratches or cracks on the surface of the electrode layer or the solid electrolyte layer is required.
- the sheet may be wound around a core, for example, with a high curvature during or after the manufacturing process, and characteristics (flexibility) that the active material or the inorganic solid electrolyte is less likely to fall off from the electrode layer or the solid electrolyte layer are also required. .
- the above characteristics become important.
- the binder when the amount of the binder used is increased to improve the characteristics, the binder forms a film on the active material or the inorganic solid electrolyte as the amount used increases, and the ion conductivity decreases. It will thus, when using a binder, the said characteristic and ion conductivity have a relation of a trade-off about the usage-amount. Even if it uses the fluororubber or binder composition described in patent document 1 or 2, there is no sufficient improvement effect. Moreover, although the polymer described in patent document 3 shows a certain improvement effect, it is not yet satisfactory.
- the present invention is a solid electrolyte composition capable of imparting bending resistance, scratch resistance and ion conductivity at a high level to a solid electrolyte-containing sheet by using it for producing a solid electrolyte-containing sheet constituting an all-solid secondary battery.
- the challenge is to provide An object of the present invention is to provide a polymer and its non-aqueous solvent dispersion suitable for use in the above-mentioned solid electrolyte composition.
- Another object of the present invention is to provide a solid electrolyte-containing sheet and an all solid secondary battery using the above-mentioned solid electrolyte composition, and a method for producing them.
- a hydrocarbon polymer segment having a functional group that can be adsorbed to these inorganic particles and a specific segment are referred to an active material or an inorganic solid electrolyte (these are collectively referred to as inorganic particles).
- an active material or an inorganic solid electrolyte these are collectively referred to as inorganic particles.
- inorganic particles By using in combination as a binder, a polymer having excellent flexibility and scratch resistance can be imparted to the obtained solid electrolyte-containing sheet while maintaining high ion conductivity, and productivity in the above-mentioned industrial production can be improved. It has been found that improvement is possible.
- a solid electrolyte composition comprising an inorganic solid electrolyte (A) having conductivity of an ion of a metal belonging to the first group or the second group of the periodic table, and a binder (polymer) (B),
- the binder (B) has a segment a having in the main chain at least one bond selected from a urethane bond, a urea bond, an amide bond, an imide bond and an ester bond, and a functional having at least one member selected from the following functional groups
- An inorganic solid electrolyte composition having a group-containing hydrocarbon polymer segment.
- ⁇ Functional group group Carboxylic acid group, sulfonic acid group, phosphoric acid group, hydroxy group, amino group, cyano group, alkoxysilyl group, aromatic hydrocarbon ring group, aromatic heterocyclic group, aliphatic hydrocarbon ring in which three or more rings are condensed Group
- the ⁇ 3> functional group-containing hydrocarbon polymer segment has ⁇ 1> or at least one repeating unit selected from the repeating units represented by the following formula (1) and the repeating units represented by the following formula (2)
- R 11 to R 27 each independently represent a hydrogen atom, an alkyl group or an aryl group.
- L 11 represents a divalent organic group which may have a substituent.
- L 12 represents a single bond or a divalent organic group which may have a substituent.
- A represents a functional group selected from the above functional group group.
- Partial structure -L 11 -A in ⁇ 4> Formula (1) or partial structure -L 12 -A in Formula (2) is ⁇ 3> shown by the following Formula (3) or Formula (4)
- X represents -O-, -S- or -N (R 3 )-.
- R 3 represents a hydrogen atom, an alkyl group or an aryl group.
- L 21 represents a single bond or an alkylene group having 1 to 20 carbon atoms.
- L 22 represents a single bond, an alkylene group having 1 to 20 carbon atoms, or an arylene group having 6 to 20 carbon atoms.
- Y 2 represents a trivalent group consisting of hydrocarbon.
- L 23 and L 24 each independently represent a single bond or an alkylene group having 1 to 20 carbon atoms.
- a 2 represents a carboxylic acid group. * Represents a C atom in the formula (1) or a bonding portion to the C atom in the formula (2).
- the binder (B) has a soft segment having a number average molecular weight of 300 or more and at least one kind selected from a polyalkylene ether chain, a polyester chain, a polycarbonate chain and a silicone chain ⁇ 1> to ⁇ 4>
- the solid electrolyte composition as described in any one of the above.
- ⁇ 8> The solid electrolyte composition according to any one of ⁇ 1> to ⁇ 7>, which contains a dispersion medium (C).
- ⁇ 9> The solid electrolyte composition according to any one of ⁇ 1> to ⁇ 8>, containing an active material (D).
- the binder (B) has a segment a having in the main chain at least one bond selected from a urethane bond, a urea bond, an amide bond, an imide bond and an ester bond, and a functional having at least one member selected from the following functional groups
- ⁇ Functional group group Carboxylic acid group, sulfonic acid group, phosphoric acid group, hydroxy group, amino group, cyano group, alkoxysilyl group, aromatic hydrocarbon ring group, aromatic heterocyclic group, aliphatic hydrocarbon ring in which three or more rings are condensed It is a manufacturing method of the solid electrolyte content sheet as described in group ⁇ 13> said ⁇ 12>, Comprising: Applying a solid electrolyte composition containing an inorganic solid electrolyte (A), a binder (B) and a dispersion medium (C) on a substrate, and drying the applied solid electrolyte composition The manufacturing method of a solid electrolyte content sheet.
- A inorganic solid electrolyte
- B binder
- C dispersion medium
- An all-solid secondary battery comprising a ⁇ 14> positive electrode active material layer, a negative electrode active material layer, and a solid electrolyte layer, Inorganic solid electrolyte (A) and binder (B) in which at least one of the positive electrode active material layer, the negative electrode active material layer, and the solid electrolyte layer has conductivity of metal ions belonging to Group 1 or Group 2 of the periodic table And contains
- the binder (B) has a segment a having in the main chain at least one bond selected from a urethane bond, a urea bond, an amide bond, an imide bond and an ester bond, and a functional having at least one member selected from the following functional groups
- An all solid secondary battery having a group-containing hydrocarbon polymer segment.
- ⁇ Functional group group Carboxylic acid group, sulfonic acid group, phosphoric acid group, hydroxy group, amino group, cyano group, alkoxysilyl group, aromatic hydrocarbon ring group, aromatic heterocyclic group, aliphatic hydrocarbon ring in which three or more rings are condensed Group ⁇ 15>
- a method of manufacturing an all-solid secondary battery which manufactures an all-solid secondary battery through the method of manufacturing a solid electrolyte-containing sheet according to ⁇ 13>.
- a polymer having a segment a having in the main chain at least one bond selected from a urethane bond, a urea bond, an amide bond, an imide bond and an ester bond, and a hydrocarbon polymer segment A polymer having a hydrocarbon polymer segment comprising at least one repeating unit selected from repeating units represented by the following formula (1) and repeating units represented by the following formula (2).
- R 11 to R 27 each independently represent a hydrogen atom, an alkyl group or an aryl group.
- Partial structure -L 11 -A in Formula (1) and partial structure -L 12 -A in Formula (2) each independently represent a partial structure represented by the following Formula (3) or Formula (4).
- X represents -O-, -S- or -N (R 3 )-.
- R 3 represents a hydrogen atom, an alkyl group or an aryl group.
- L 21 represents a single bond or an alkylene group having 1 to 20 carbon atoms.
- L 22 represents a single bond, an alkylene group having 1 to 20 carbon atoms, or an arylene group having 6 to 20 carbon atoms.
- Y 2 represents a trivalent group consisting of hydrocarbon.
- L 23 and L 24 each independently represent a single bond or an alkylene group having 1 to 20 carbon atoms.
- a 2 represents a carboxylic acid group. * Represents a C atom in the formula (1) or a bonding portion to the C atom in the formula (2).
- the present invention can provide a solid electrolyte composition capable of providing a solid electrolyte-containing sheet with high levels of bending resistance, scratch resistance and ion conductivity.
- the present invention can provide a polymer and its non-aqueous solvent dispersion suitable for use in the above-mentioned solid electrolyte composition. Further, the present invention can provide a solid electrolyte-containing sheet and an all solid secondary battery using the above-mentioned solid electrolyte composition, and a method for producing them.
- FIG. 1 is a longitudinal sectional view schematically showing an all solid secondary battery according to a preferred embodiment of the present invention.
- FIG. 2 is a longitudinal sectional view schematically showing the test body for ion conductivity measurement manufactured in the example.
- FIG. 3 is a longitudinal cross-sectional view which shows typically the all-solid-state secondary battery (coin battery) produced by the Example.
- a numerical range represented using “to” means a range including numerical values described before and after “to” as the lower limit value and the upper limit value.
- acrylic or “(meth) acrylic
- it means acrylic and / or methacrylic.
- acryloyl or “(meth) acryloyl”
- it means acryloyl and / or methacryloyl.
- the expression of a compound is used in the meaning including the salt thereof and the ion thereof in addition to the compound itself.
- the mass average molecular weight (Mw) and the number average molecular weight (Mn) can be measured as a molecular weight in terms of polystyrene by gel permeation chromatography (GPC) unless otherwise specified.
- GPC gel permeation chromatography
- the eluent can be selected from THF (tetrahydrofuran), chloroform, NMP (N-methyl-2-pyrrolidone), and m-cresol / chloroform mixed solution (manufactured by Shonan Wako Pure Chemical Industries, Ltd.). If the measurement sample is dissolved, use THF.
- THF tetrahydrofuran
- NMP N-methyl-2-pyrrolidone
- m-cresol / chloroform mixed solution manufactured by Shonan Wako Pure Chemical Industries, Ltd.
- the solid electrolyte composition of the present invention contains an inorganic solid electrolyte (A) having conductivity of an ion of a metal belonging to Group 1 or Group 2 of the periodic table, and a binder (B).
- the inorganic solid electrolyte (A) and the binder (B) may be separated (dispersed) from each other, but usually, with the functional group etc. in the binder (B)
- the inorganic solid electrolyte (A) interacts, and the binder (B) and the inorganic solid electrolyte (A) adhere to each other.
- the inorganic solid electrolyte (A) and the binder (B) are in close contact with each other in the solid electrolyte-containing sheet of the present invention described later and the active material layer or solid electrolyte layer forming the all solid secondary battery of the present invention.
- the binder (B) is preferably in close contact with the active material, the conductive additive and the like in addition to the inorganic solid electrolyte (A) in the electrode sheet for the all solid secondary battery and the active material layer.
- the functional group of the binder (B) may be (chemically or physically) depending on the type of interaction with the inorganic solid electrolyte (A) or the like.
- the inorganic solid electrolyte (A) etc. and the binder (B) May be present as it is without change, or may be changed.
- Examples of chemically or physically changed functional groups include anions from which active hydrogen is released, such as salts in which active hydrogen is exchanged with other cations.
- the interaction etc. for the inorganic solid electrolyte (A) etc. and the binder (B) to adhere to each other will be described later.
- the inorganic solid electrolyte (A) or the like and the binder (B) are in close contact (integrally) due to the interaction, and the desired effects and effects described later are obtained. It is possible to play.
- preferred embodiments will be described.
- the inorganic solid electrolyte is an inorganic solid electrolyte, and the solid electrolyte is a solid electrolyte capable of transferring ions in its inside.
- An organic solid electrolyte (a polymer electrolyte represented by polyethylene oxide (PEO) or the like, an organic electrolyte represented by lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (LiTFSI) or the like because it does not contain an organic substance as a main ion conductive material It is clearly distinguished from electrolyte salt).
- PEO polyethylene oxide
- LiTFSI lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide
- electrolyte salt since the inorganic solid electrolyte is solid in a steady state, it is not usually dissociated or released into cations and anions.
- the electrolyte solution or the inorganic electrolyte salt (LiPF 6 , LiBF 4 , LiFSI, LiCl, etc.) in which the cation and the anion are dissociated or released in the polymer.
- the inorganic solid electrolyte is not particularly limited as long as it has ion conductivity of a metal belonging to Periodic Table Group 1 or Group 2, and one having no electron conductivity is common.
- the inorganic solid electrolyte has ion conductivity of a metal belonging to Group 1 or Group 2 of the periodic table.
- the inorganic solid electrolyte preferably has an ion conductivity of lithium ion.
- a solid electrolyte material to be applied to this type of product can be appropriately selected and used.
- the inorganic solid electrolyte (i) a sulfide-based inorganic solid electrolyte and (ii) an oxide-based inorganic solid electrolyte can be mentioned as a representative example.
- a sulfide-based inorganic solid electrolyte is preferably used because a better interface can be formed between the active material and the inorganic solid electrolyte.
- the sulfide-based inorganic solid electrolyte contains a sulfur atom (S), preferably has ion conductivity of a metal belonging to Group 1 or 2 of the periodic table, and preferably has an electronic insulating property .
- the sulfide-based inorganic solid electrolyte contains at least Li, S and P as elements and preferably has lithium ion conductivity, but depending on the purpose or case, other than Li, S and P. It may contain an element.
- the sulfide-based inorganic solid electrolyte preferably has an ion conductivity of 1 ⁇ 10 ⁇ 6 S / cm or more, more preferably 5 ⁇ 10 ⁇ 6 S / cm or more, and 1 ⁇ 10 ⁇ 5 S It is particularly preferable to be at least / cm.
- the upper limit is not particularly limited, but it is practical to be 1 ⁇ 10 ⁇ 1 S / cm or less.
- fills the composition shown, for example by following formula (I) is mentioned.
- L a1 M b1 P c1 S d1 A e1 formula (I)
- L represents an element selected from Li, Na and K, and Li is preferred.
- M represents an element selected from B, Zn, Sn, Si, Cu, Ga, Sb, Al and Ge.
- A represents an element selected from I, Br, Cl and F.
- a1 to e1 represent composition ratios of respective elements, and a1: b1: c1: d1: e1 satisfies 1 to 12: 0 to 5: 1: 2 to 12: 0 to 10. 1 to 9 is preferable, and 1.5 to 7.5 is more preferable.
- b1 is preferably 0 to 3. 2.5 to 10 are preferable and 3.0 to 8.5 of d1 are more preferable.
- 0 to 5 is preferable, and 0 to 3 is more preferable as e1.
- composition ratio of each element can be controlled by adjusting the compounding amount of the raw material compound at the time of producing a sulfide-based inorganic solid electrolyte as described below.
- the sulfide-based inorganic solid electrolyte may be non-crystalline (glass) or crystallized (glass-ceramicized), or only part of it may be crystallized.
- a Li—P—S-based glass containing Li, P and S, or a Li—P—S-based glass ceramic containing Li, P and S can be used.
- the sulfide-based inorganic solid electrolyte includes, for example, lithium sulfide (Li 2 S), phosphorus sulfide (for example, diphosphorus pentasulfide (P 2 S 5 )), single phosphorus, single sulfur, sodium sulfide, hydrogen sulfide, lithium halide (for example, It can be produced by the reaction of at least two or more of LiI, LiBr, LiCl) and sulfides of elements represented by M (for example, SiS 2 , SnS, GeS 2 ).
- Li 2 S lithium sulfide
- phosphorus sulfide for example, diphosphorus pentasulfide (P 2 S 5 )
- single phosphorus single sulfur
- sodium sulfide sodium sulfide
- hydrogen sulfide lithium halide
- M for example, SiS 2 , SnS, GeS 2 .
- the ratio of Li 2 S to P 2 S 5 in the Li-P-S-based glass and Li-P-S-based glass ceramic is preferably a molar ratio of Li 2 S: P 2 S 5 of 60:40 to 90:10, more preferably 68:32 to 78:22.
- the lithium ion conductivity can be made high.
- the lithium ion conductivity can be preferably 1 ⁇ 10 ⁇ 4 S / cm or more, more preferably 1 ⁇ 10 ⁇ 3 S / cm or more. There is no particular upper limit, but it is practical to be 1 ⁇ 10 ⁇ 1 S / cm or less.
- Li 2 S-P 2 S 5 Li 2 S-P 2 S 5 -LiCl, Li 2 S-P 2 S 5 -H 2 S, Li 2 S-P 2 S 5 -H 2 S-LiCl, Li 2 S-LiI-P 2 S 5 , Li 2 S-LiI-Li 2 O-P 2 S 5 , Li 2 S-LiBr-P 2 S 5 , Li 2 S-Li 2 O-P 2 S 5 , Li 2 S-Li 3 PO 4 -P 2 S 5 , Li 2 S-P 2 S 5- P 2 O 5 , Li 2 S-P 2 S 5- SiS 2 , Li 2 S-P 2 S 5- SiS 2 -LiCl, Li 2 S-P 2 S 5 -SnS, Li 2 S-P 2 S 5 -Al 2 S 3, Li 2 S-GeS 2, Li 2 S-GeS 2, Li 2 S-
- the mixing ratio of each raw material does not matter.
- an amorphization method can be mentioned.
- the amorphization method for example, a mechanical milling method, a solution method and a melt quenching method can be mentioned. It is because processing at normal temperature becomes possible, and simplification of the manufacturing process can be achieved.
- the oxide-based inorganic solid electrolyte contains an oxygen atom (O), and is preferably a compound having the ion conductivity of a metal belonging to the first group or the second group of the periodic table and having the electron insulating property .
- the oxide-based inorganic solid electrolyte preferably has an ion conductivity of 1 ⁇ 10 ⁇ 6 S / cm or more, more preferably 5 ⁇ 10 ⁇ 6 S / cm or more, and 1 ⁇ 10 ⁇ 5 S It is particularly preferable to be at least / cm.
- the upper limit is not particularly limited, but it is practical to be 1 ⁇ 10 ⁇ 1 S / cm or less.
- Li, P and O phosphorus compounds containing Li, P and O.
- Li 3 PO 4 lithium phosphate
- LiPON in which part of oxygen of lithium phosphate is replaced with nitrogen
- LiPOD 1 LiPOD 1
- D 1 is Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr And at least one selected from Nb, Mo, Ru, Ag, Ta, W, Pt, Au and the like.
- LiA 1 ON (A 1 is at least one selected from Si, B, Ge, Al, C, Ga, etc.) can be preferably used.
- the inorganic solid electrolyte is preferably in the form of particles.
- the volume average particle diameter of the particulate inorganic solid electrolyte is not particularly limited, but is preferably 0.01 ⁇ m or more, and more preferably 0.1 ⁇ m or more.
- the upper limit is preferably 100 ⁇ m or less, more preferably 50 ⁇ m or less.
- grains is performed in the following procedures.
- the inorganic solid electrolyte particles are diluted with water (heptane for water labile substances) in a 20 ml sample bottle to dilute a 1% by weight dispersion.
- the diluted dispersed sample is irradiated with 1 kHz ultrasound for 10 minutes, and used immediately thereafter for the test.
- a laser diffraction / scattering particle size distribution analyzer LA-920 manufactured by HORIBA
- data acquisition is carried out 50 times using a quartz cell for measurement at a temperature of 25 ° C. Get the diameter.
- JIS Z 8828 2013 "Particle diameter analysis-dynamic light scattering method" as necessary. Make five samples per level and adopt the average value.
- the inorganic solid electrolyte may be used alone or in combination of two or more.
- the content of the solid component in the solid electrolyte composition of the inorganic solid electrolyte is 100% by mass of the solid component in consideration of reduction of the interface resistance when used in the all solid secondary battery and maintenance of the reduced interface resistance. Is preferably 5% by mass or more, more preferably 10% by mass or more, and particularly preferably 20% by mass or more. From the same viewpoint, the upper limit is preferably 99.9% by mass or less, more preferably 99.5% by mass or less, and particularly preferably 99% by mass or less. However, when the solid electrolyte composition contains an active material described later, the content of the inorganic solid electrolyte in the solid electrolyte composition is preferably such that the total content of the active material and the inorganic solid electrolyte is in the above range.
- the solid component refers to a component that does not volatilize or evaporate and disappear when drying processing is performed at 170 ° C. for 6 hours under a nitrogen atmosphere. Typically, it refers to components other than the dispersion medium described later.
- the solid electrolyte composition of the present invention contains (B) a binder.
- the (B) binder used in the present invention has, in its main chain, a segment a having in the main chain at least one bond selected from a urethane bond, a urea bond, an amide bond, an imide bond and an ester bond; And a functional group-containing hydrocarbon polymer segment having a group.
- the functional group possessed by this binder is bonded to the main chain of the functional group-containing hydrocarbon polymer segment through a linking group. The functional group will be described later.
- the above bond is not particularly limited as long as it is included in the main chain of the segment a, and an embodiment and / or different repeat units included in the repeat unit as a bond for binding the component forming the repeat unit It may be any of the embodiments included as a binding bond.
- the above-mentioned bond is not included in the main chain of each of the functional group-containing hydrocarbon polymer segment and the non-functional group-containing hydrocarbon polymer segment.
- the “main chain” means a linear molecular chain in which all molecular chains other than the main chain among all molecular chains in the polymer can be regarded as pendant to the main chain.
- the longest chain of the molecular chains constituting the polymer is the main chain.
- the functional group possessed by the polymer end is not included in the main chain.
- the binder (B) is not particularly limited as long as it has the segment a and the functional group-containing hydrocarbon polymer segment, and further, at least one segment selected from the soft segment and the non-functional group containing hydrocarbon polymer segment It is also preferable to have Each segment will be described below.
- the segment a is a segment having in the main chain at least one bond selected from a urethane bond, a urea bond, an amide bond, an imide bond and an ester bond, which is contained in the main chain of (B) binder.
- the segment a is preferably a hard segment having at least one bond selected from a urethane bond, a urea bond, an amide bond and an imide bond in the main chain.
- the hard segment is a rigid group such as an aromatic group or heteroaromatic group or an aliphatic alicyclic group in the main chain, or a bond that enables intermolecular packing by intermolecular hydrogen bonding or ⁇ - ⁇ interaction.
- a segment having a part which is generally a segment having rigidity, strong cohesion, and fiber form.
- segments which are linear or branched aliphatic hydrocarbon groups and which satisfy the following glass transition temperature or molecular weight, even if they do not have rigid groups as described above, are also classified as hard segments. Compounds that form such hard segments are referred to as short chain compounds (eg short chain diols).
- the glass transition temperature (Tg) of a compound having a partial structure that forms a hard segment is high, and typically indicates 100 ° C. or higher.
- the hard segment refers to one less than 300, focusing on the (number average) molecular weight of the compound having a partial structure forming it.
- the hard segment is not particularly limited as long as it has the above-mentioned characteristics, but preferably has at least one of the above-mentioned bonds, more preferably one having a skeleton forming an intermolecular pseudo-crosslink through hydrogen bonds. .
- the hard segment may further have a bond other than the above-mentioned bond, and examples thereof include an embodiment of a segment comprising a polyurethane having a carbonate bond in the molecular chain.
- the hard segment is more preferably a segment (group) selected from the following group I: In the following formula, * represents a bond.
- R H1 and R H2 are each independently an alkylene group (the carbon number is preferably 1 to 18, more preferably 2 to 18, still more preferably 4 to 13) Or an arylene group (the carbon number is preferably 6 to 16, more preferably 6 to 10), or a combination thereof.
- the formula (I-2) is linked to an oxygen atom or an imino group (> NR N 2 ) to form a urethane group or a urea group.
- RN represents a hydrogen atom or an alkyl group (the carbon number is preferably 1 to 12, more preferably 1 to 6, and still more preferably 1 to 3).
- R H3 represents an aromatic or aliphatic tetravalent linking group.
- R H3 is preferably a linking group represented by any one of the following formulas (i) to (iix).
- X 1 represents a single bond or a divalent linking group.
- divalent linking group an alkylene group having 1 to 6 carbon atoms (eg, methylene, ethylene, propylene) is preferable.
- propylene 1,3-hexafluoro-2,2-propanediyl is preferred.
- R X and R Y independently represents a hydrogen atom or a substituent.
- * represents a bonding site to a carbonyl group.
- an alkyl group (the carbon number is preferably 1 to 12, more preferably 1 to 6, still more preferably 1 to 3) or an aryl group (the carbon number is 6 to 6) 22 is preferable, 6 to 14 is more preferable, and 6 to 10 is more preferable.
- the soft segment refers to a segment having a long chain linear group or a long chain branching group in the main chain, and is generally a soft and stretchable segment.
- the glass transition temperature of the soft segment (having hydrogen atoms added at both ends) is low, and indicates a temperature of 50 ° C. or less.
- the soft segment is not particularly limited as long as it has the above-mentioned characteristics, and is a chain having a number average molecular weight of 300 or more, and a polyalkylene oxide chain (also referred to as a polyalkylene ether chain, polyethylene oxide chain, polypropylene oxide chain) Are preferred), polycarbonate chains, polyester chains and / or silicone chains are preferred.
- the soft segment is more preferably a group selected from the following group II. In the following formula, * represents a binding site.
- R 21 represents a hydrogen atom or an alkyl group (the carbon number is preferably 1 to 12, more preferably 1 to 6, and still more preferably 1 to 3).
- R 22 represents a substituent having a number average molecular weight of 300 or more and 200,000 or less containing a polyalkylene oxide chain (polyethylene oxide chain, polypropylene oxide chain is preferable), a polycarbonate chain, a polyester chain or a silicone chain.
- the number average molecular weight is preferably 500 or more, more preferably 700 or more, and still more preferably 1,000 or more. As an upper limit, 100,000 or less is preferable and 10,000 or less is more preferable.
- R 22 preferably has an alkyl group at the end (the carbon number is preferably 1 to 12, more preferably 1 to 6).
- RN is as described above.
- R 22 may have the following hetero atom-containing group or carbon-carbon unsaturated group.
- the heteroatom-containing group alcoholic hydroxyl group (hydroxyalkyl group: carbon number is preferably 1 to 6, more preferably 1 to 3), phenolic hydroxyl group (hydroxyphenyl group), mercapto group, carboxy group, It is preferably at least one of a sulfo group, a sulfonamide group, a phosphoric acid group, a cyano group, an amino group, a zwitterion-containing group, a metal hydroxide group and a metal alkoxide group.
- the amino group is represented by —N (R N ) 2 , and R N is as described above.
- the zwitterion-containing group is a betaine structure (the carbon number is preferably 1 to 12, more preferably 1 to 6), and the cationic moiety includes quaternary ammonium, sulfonium and phosphonium.
- the anion part includes carboxylate and sulfonate.
- the metal hydroxide is a hydroxyl silyl group or a hydroxyl titanyl group.
- the metal alkoxide is an alkoxysilyl group (preferably having 1 to 12 carbon atoms, more preferably 1 to 6 carbon atoms), an alkoxytitanil group (having 1 to 12 carbon atoms is preferable, 1 to 6 carbon atoms).
- Carbon-carbon unsaturated groups include carbon-carbon double bonds or carbon-carbon triple bonds.
- Specific examples of the group containing a carbon-carbon double bond include an acryl group, a methacryl group, a vinyl group, an allyl group and a maleimide group.
- Specific examples of the carbon-carbon triple bond include ethynyl group and propargyl group.
- R 23 is a linking group having a number average molecular weight of 300 or more and 200,000 or less containing a polyalkylene oxide chain (polyethylene oxide chain, preferably polypropylene oxide chain), a polycarbonate chain, a polyester chain or a silicone chain.
- the number average molecular weight is preferably 500 or more, more preferably 700 or more, and still more preferably 1,000 or more. As an upper limit, 100,000 or less is preferable and 10,000 or less is more preferable.
- R 23 preferably has an alkyl group at the end (the carbon number is preferably 1 to 12, more preferably 1 to 6).
- RN is as described above.
- R 23 may have the above-mentioned hetero atom-containing group or a carbon-carbon unsaturated group.
- the number average molecular weight of R 22 and R 23 can be determined as a number average molecular weight in terms of polystyrene in GPC for monomers prior to incorporation into the polymer.
- a nonfunctional group-free hydrocarbon polymer segment means a segment consisting of a hydrocarbon oligomer or polymer (hereinafter also referred to as a hydrocarbon polymer) composed of carbon atoms and hydrogen atoms, strictly speaking, carbon atoms and It means a structure in which at least two atoms (for example, hydrogen atoms) or groups (for example, methyl groups) of a polymer composed of hydrogen atoms are eliminated.
- a terminal reactive group for binding to each segment etc. that can be held at the polymer end is not included in the hydrocarbon polymer segment.
- the non-functional group-containing hydrocarbon polymer segment may have a functional group which does not have the following functional group linked via a linking group to its main chain, but which is directly linked.
- the non-functional group-containing hydrocarbon polymer is a polymer having a structure in which at least two or more repeating units are linked.
- the nonfunctional group-containing hydrocarbon polymer is preferably composed of at least 50 carbon atoms or more.
- this non-functional group-containing hydrocarbon polymer segment is included in both hard segment and soft segment depending on its (number average) molecular weight and the like, in the present invention, it is a segment consisting of an oligomer or a polymer In terms of points, they are distinguished from the above-mentioned segments.
- the number average molecular weight of the non-functional group-containing hydrocarbon polymer segment is preferably 1,000 or more and less than 1,000,000, from the viewpoint of improving the particle dispersibility of the (B) binder and obtaining fine particles. Or more and less than 100,000 are more preferable, and 1,000 or more and less than 10,000 are more preferable.
- the non-functional group-containing hydrocarbon polymer may have a carbon-carbon unsaturated bond, and may have a ring structure of an aliphatic ring and / or an aromatic ring. That is, the non-functional group-containing hydrocarbon polymer may be a hydrocarbon polymer composed of hydrocarbons selected from aliphatic hydrocarbons and aromatic hydrocarbons. From the viewpoint of flexibility and showing the effect of steric repulsion when present as polymer particles, hydrocarbon polymers composed of aliphatic hydrocarbons are preferred.
- the non-functional group-containing hydrocarbon polymer preferably has no ring structure in its main chain, and is more preferably an oligomer or polymer of a linear or branched aliphatic hydrocarbon.
- the above non-functional group-containing hydrocarbon polymer is preferably an elastomer, and specifically, a diene-based elastomer having a double bond in the main chain, and a non-diene elastomer having no double bond in the main chain It can be mentioned.
- diene-based elastomers include styrene-butadiene rubber (SBR), styrene-ethylene-butadiene rubber (SEBR), butyl rubber (IIR), butadiene rubber (BR), isoprene rubber (IR) and ethylene-propylene-diene rubber. It can be mentioned.
- non-diene elastomers examples include olefin elastomers such as ethylene-propylene rubber and styrene-ethylene-butylene rubber, and hydrogen-reduced elastomers of the above-mentioned diene elastomers.
- the non-functional group-containing hydrocarbon polymer preferably has an end reactive group at the polymer end for binding to another segment or the like, and a terminally reactive group capable of condensation polymerization It is more preferable to have
- the terminal reactive group capable of condensation polymerization or polyaddition include a hydroxy group, a carboxy group, an amino group, a sulfanyl group, an acid anhydride and the like, among which a hydroxy group is preferable.
- Examples of non-functional group-containing hydrocarbon polymers having terminal reactive groups capable of condensation polymerization at the polymer terminals include, for example, the NISSO-PB series (Nippon Soda Co., Ltd.
- the functional group-containing hydrocarbon polymer segment is a segment having at least one selected from the following functional group group. That is, the functional group-containing hydrocarbon polymer segment has at least one functional group bonded to the main chain of the non-functional group-containing hydrocarbon polymer segment via the linking group.
- the functional group possessed by this segment is a functional group selected from the following functional group group or a functional group obtained by combining two or more functional groups selected from the following functional group group.
- ⁇ Functional group group > Carboxylic acid group (-COOH), sulfonic acid group (sulfo group: -SO 3 H), phosphoric acid group (phospho group: phospho group: -OPO (OH) 2 etc.), hydroxy group, amino group, cyano group, alkoxysilyl group, Aromatic hydrocarbon ring group, aromatic heterocyclic group, aliphatic hydrocarbon ring group having three or more rings fused
- the functional group-free hydrocarbon polymer segment in the functional group-containing hydrocarbon polymer segment is as described above, and in general, one having a Tg of 0 ° C. or less and a number average molecular weight of 1000 or more is preferable.
- the molecular mobility of the functional group is enhanced, and the adsorption probability of the surface of the inorganic particle and the binder is improved. High integrity is expressed.
- the linking group is not particularly limited as long as it is an atom or an organic group, or a combined group thereof, whereby a functional group described later does not directly bond to an atom forming the main chain.
- the atom include a carbon atom, a hetero atom (oxygen atom, sulfur atom or nitrogen atom) and the like.
- an organic group the group derived from the component which forms a functional group non-containing hydrocarbon polymer, or the group derived from the compound for introduce
- a group derived from a component forming a hetero atom, a non-functional group-containing hydrocarbon polymer, or a group derived from a compound for introducing a functional group is preferable, and a sulfur atom or an aliphatic hydrocarbon group (preferably An alkylene group or an alkanetriyl group (each having preferably 2 to 4 carbon atoms) is more preferable. It does not specifically limit as a group originating in the compound for introduce
- the group which combines at least 2 sort (s) selected from the said atom and the organic group is mentioned.
- the number of groups to be combined is, for example, 4 or less.
- Specific examples of the linking group formed by the above combination include * -heteroatom-aliphatic hydrocarbon group-, * -aliphatic hydrocarbon group-heteroatom-, * -aliphatic hydrocarbon group-heteroatom-fat Group hydrocarbon group-or L 11 in the formula (1) described later, and the like.
- At least one of the aliphatic hydrocarbon groups is derived from a group derived from a component forming a non-functional group-containing hydrocarbon polymer, or a compound for introducing a functional group And groups substituted by the following groups.
- * -aliphatic hydrocarbon group-hetero atom-aliphatic hydrocarbon group- is preferable.
- * indicates a bond with an atom forming the main chain of the functional group-containing hydrocarbon polymer segment.
- the functional group contained in the functional group-containing hydrocarbon polymer (the adsorptive functional group on the surface of the inorganic particles) is chemically or physically present with the surface of the inorganic solid electrolyte in the solid electrolyte composition, optionally coexisting active materials or conductive aids. Interact with each other. This interaction is not particularly limited, for example, by hydrogen bond, ion bond by acid-base, covalent bond, ⁇ - ⁇ interaction by aromatic ring, or hydrophobic-hydrophobic interaction And the like.
- the chemical structure of the functional groups may or may not change. For example, in the above ⁇ - ⁇ interaction etc., the functional group is usually not changed, and the structure is maintained as it is.
- the active hydrogen such as the carboxylic acid group is separated as an anion (the functional group is changed) and bonded to the solid electrolyte.
- This interaction contributes to the adsorption of the (B) binder with the particles such as the inorganic solid electrolyte described above during or during preparation of the solid electrolyte composition.
- These functional groups are bonded to the functional group-containing hydrocarbon polymer segment having a low glass transition temperature in the binder (B), thereby enhancing the molecular mobility of the functional groups and improving the frequency of contact with the particle interface.
- the interaction formed is also considered to be strong.
- the functional group also interacts with the surface of the current collector.
- the carboxylic acid group, the sulfonic acid group and the phosphoric acid group may be salts or esters thereof, respectively.
- the salt include sodium salt, calcium salt and the like.
- esters include alkyl esters, aryl esters and the like. In the case of an ester, it preferably has 1 to 24 carbon atoms, more preferably 1 to 12 and particularly preferably 1 to 6. What can form a salt, such as a hydroxy group and an amino group, may be a salt.
- the amino group is not particularly limited, and examples thereof include an amino group having 0 to 20 carbon atoms. Amino groups include alkylamino and arylamino groups.
- the carbon number of the amino group is preferably 0 to 12, more preferably 0 to 6, and still more preferably 0 to 2.
- Examples of the amino group include amino, N, N-dimethylamino, N, N-diethylamino, N-ethylamino, anilino and the like.
- the alkoxysilyl group is not particularly limited, and preferably includes an alkoxysilyl group having 1 to 20 carbon atoms, such as monomethoxysilyl, dimethoxysilyl, trimethoxysilyl, triethoxysilyl and the like.
- the aromatic hydrocarbon ring group may be a single ring or a fused ring. The number of carbon atoms is preferably 6 to 26, and more preferably 6 to 20.
- benzene ring naphthalene ring, anthracene, phenanthracene, pyrene, tetracene, tetraphen, chrysene, triphenylene, pentacene, pentaphene, perylene, pyrene, benzo [a] pyrene, coronene, antanthrene, corannulene, ovalene And a ring group consisting of graphene, cycloparaphenylene, polyparaphenylene or cyclophene.
- the aromatic heterocyclic group is not particularly limited, and examples thereof include 5- or 6-membered aromatic heterocyclic groups having at least one selected from an oxygen atom, a sulfur atom and a nitrogen atom as a ring constituting atom.
- the carbon number is preferably 2 to 20.
- the aliphatic hydrocarbon ring group in which three or more rings are fused is not particularly limited as long as the aliphatic hydrocarbon ring is a ring group in which three or more rings are fused.
- a fused aliphatic hydrocarbon ring a saturated aliphatic hydrocarbon ring or unsaturated aliphatic hydrocarbon ring is mentioned.
- the aliphatic hydrocarbon ring is preferably a 5- or 6-membered ring.
- the number of condensed rings in the aliphatic hydrocarbon ring group in which three or more rings are condensed is not particularly limited, but three to five rings are preferable, and three or four rings are more preferable.
- the saturated aliphatic hydrocarbon ring or the cyclic group in which three or more rings of the unsaturated aliphatic hydrocarbon ring are condensed is not particularly limited, and examples thereof include a ring group formed of a compound having a steroid skeleton.
- a compound having a steroid skeleton for example, cholesterol, ergosterol, testosterone, estradiol, eldosterone, aldosterone, hydrocortisone, stigmasterol, thymosterol, lanosterol, 7-dehydrodesmosterol, 7-dehydrocholesterol, cholanic acid, coal
- a cyclic group consisting of a compound of an acid, lithocholic acid, deoxycholic acid, sodium deoxycholate, lithium deoxycholic acid, hyodeoxycholic acid, chenodeoxycholic acid, ursodeoxycholic acid, dehydrocholic acid, hoquecholic acid or hyocholic acid .
- a ring group formed of a compound having a cholesterol ring structure is more preferable.
- the functional group selected from the functional group group is appropriately selected from the above, but in the case where the solid electrolyte composition contains an inorganic solid electrolyte or a positive electrode active material in terms of the binding property with the active material, A carboxylic acid group, a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, a hydroxy group, a cyano group, an amino group or an alkoxysilyl group is preferable, and a carboxylic acid group is more preferable.
- the solid electrolyte composition contains a negative electrode active material or a conductive auxiliary, an aromatic hydrocarbon ring group, an aromatic heterocyclic group or an aliphatic hydrocarbon ring group in which three or more rings are condensed, is preferable, and a three ring system is preferable.
- An aliphatic hydrocarbon ring group in which the above is fused is more preferable.
- the functional group is preferably a carboxylic acid group, a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, or an aromatic hydrocarbon ring group, and more preferably a carboxylic acid group, from the viewpoint of exhibiting high binding ability regardless of the active material.
- the functional group in combination of two or more types is not particularly limited as long as it is a group formed by combining two or more types of functional groups appropriately selected from the above functional group group.
- Examples of the group to be combined include a group formed by combining a functional group that can be a divalent or higher functional group among the above functional groups and a functional group that can only be monovalent.
- Examples of functional groups that can be divalent or higher functional groups include amino groups, aromatic hydrocarbon ring groups, aromatic heterocyclic groups, and aliphatic hydrocarbon ring groups in which three or more rings are condensed, and are only monovalent.
- a functional group which can not be adopted for example, a carboxylic acid group, a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, a hydroxy group, a cyano group and an alkoxysilyl group can be mentioned.
- one kind of group selected from an aromatic hydrocarbon ring group, an aromatic heterocyclic group and an aliphatic hydrocarbon ring group in which three or more rings are condensed in terms of adhesion to the inorganic particles A group formed by combining a functional group and one functional group selected from a carboxylic acid group, a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, a hydroxy group, an amino group, a cyano group and an alkoxysilyl group is preferable.
- a group or an alkoxysilyl group a functional group-containing hydrocarbon polymer such that an aromatic hydrocarbon ring group, an aromatic heterocyclic group or an aliphatic hydrocarbon ring group having a condensed three or more rings is on the main chain side of the functional group-containing hydrocarbon polymer
- the functional group on the main chain side is a divalent or higher group.
- a functional group more than bivalence shall be taken.
- a group from which at least one hydrogen atom or the like has been removed may be mentioned.
- a benzene ring can be a phenylene group or a benzenetriyl group
- an amino group can be a divalent imino group or a trivalent nitrogen atom.
- the number of functional groups to be combined is not particularly limited, but is preferably 2 to 5, more preferably 2 to 4, and still more preferably 2 or 3.
- the functional group-containing hydrocarbon polymer has two or more functional groups, an embodiment having each of two or more types of functional groups selected from the above group alone and two or more types of functional groups selected from the above group combined And an embodiment having a functional group.
- the functional group-containing hydrocarbon polymer may have at least one functional group, preferably one to three, more preferably one or two, and still more preferably one.
- the functional group formed in combination is regarded as one kind in the "seed" here.
- the number of functional groups bonded to a specific atom forming the main chain of the functional group-containing hydrocarbon polymer via the above-mentioned linking group etc. is not particularly limited, and may be the same or different 1 or more is preferable, 1 to 4 is more preferable, and 1 or 2 is more preferable.
- the number of functional groups per segment of the functional group-containing hydrocarbon polymer is not particularly limited, and one or more is preferable, 1 to 200 is more preferable, 2 to 100 is more preferable, and 5 to 50 More preferably, 5 to 30 are particularly preferred, and 1 or 2 is most preferred.
- the functional groups may be the same or different. When counting the "number of functional groups", the total of the functional groups to be combined is one.
- the functional group possessed by the functional group-containing hydrocarbon polymer may have a substituent.
- the functional group-containing hydrocarbon polymer segment preferably has at least one repeating unit selected from the repeating units represented by the following formula (1) and the repeating units represented by the following formula (2).
- the binder (B) has a functional group-containing hydrocarbon polymer segment to which the above-mentioned functional group is bonded as described above.
- the repeating unit possessed by the functional group-containing hydrocarbon polymer is at least one of the repeating units represented by the formula (1), at least one of the repeating units represented by the formula (2), or represented by the formula (1) It may be any of the combination of at least one of the repeating units and the at least one of the repeating units represented by the formula (2). In the present invention, it is more preferable to include a repeating unit represented by the following formula (2).
- the number of types of the repeating units contained in the main chain of the functional group-containing hydrocarbon polymer is not particularly limited as long as it is at least one or more, preferably 1 to 4 and more preferably 1 to 3. More preferably, it is 1 type or 2 types.
- the functional group-containing hydrocarbon polymer segment may have repeating units different from one another.
- R 11 to R 17 each independently represent a hydrogen atom, an alkyl group or an aryl group.
- the alkyl group which can be taken as R 11 to R 17 may be any of a linear alkyl group, a branched alkyl group and a cyclic alkyl group, preferably a linear alkyl group or a branched alkyl group, and more preferably a linear alkyl group.
- the carbon number of the alkyl group is not particularly limited, and is preferably, for example, 1 to 20, more preferably 1 to 12, and still more preferably 1 to 6.
- the aryl group that can be taken as R 11 to R 17 is not particularly limited, and may be a monocyclic aryl group or an aryl group of a condensed ring, and an aryl group consisting of a hydrocarbon ring may also be a hetero ring. It may be an aryl group consisting of a ring. Preferably, it is an aryl group consisting of a monocyclic hydrocarbon ring, that is, a phenyl group.
- the carbon number of the aryl group is not particularly limited, but is preferably 6 to 26, more preferably 6 to 18, and still more preferably 6 to 10.
- a hydrogen atom or an alkyl group is preferable, a hydrogen atom or methyl is more preferable, and a hydrogen atom is still more preferable.
- L 11 represents a divalent organic group which may have a substituent.
- the divalent organic group is not particularly limited, and examples thereof include a group derived from a compound for introducing a functional group.
- the organic group is preferably a group other than an aromatic hydrocarbon ring group, an aromatic heterocyclic group, and an aliphatic hydrocarbon ring group in which three or more rings are fused, contained in the above functional group group.
- an alkylene group (the carbon number is preferably 1 to 20, more preferably 1 to 18, still more preferably 1 to 10), and an arylene group (the carbon number is preferably 6 to 22) , 6 to 14 are more preferable, and 6 to 10 are more preferable.
- -O-, -S-, -N (R 2 )-or -C ( O)-, or a combination of these. .
- the group or the atom is the above-mentioned alkylene group, -O- or -S-, and as the combined group, "A 2 " is removed from partial structures represented by the formula (3) described later Or a group obtained by removing “A 2 ” linked to L 24 in the partial structure represented by the formula (4).
- the above-mentioned alkylene group forming a divalent organic group includes a cyclic alkylene group in addition to a linear alkylene group and a branched alkylene group.
- the lower limit of the number of carbon atoms is preferably 3 or more.
- the cyclic alkylene group may have an unsaturated bond in the ring.
- R 2 represents a hydrogen atom, an alkyl group (preferably having 1 to 8 carbon atoms) or an aryl group (preferably having 6 to 12 carbon atoms).
- the number of the groups and the like to be combined in the above-mentioned combined groups which can be taken as L 11 is not particularly limited as long as it is 2 or more, preferably 2 to 5, more preferably 2 or 3. .
- the substituent which L 11 may have is not particularly limited.
- A shows a functional group.
- the functional group A is the same as the functional group selected from the functional group group described above, or the functional group in which two or more functional groups selected from the following functional group groups are combined, and preferred ones are also the same.
- R 21 to R 27 each independently represent a hydrogen atom, an alkyl group or an aryl group.
- the alkyl group and aryl group that can be taken as R 21 to R 27 have the same meanings as the alkyl group and aryl group that can be taken as R 11 to R 17 respectively, and preferable ones are also the same.
- L 12 represents a single bond or a divalent organic group which may have a substituent, and a divalent organic group is preferable.
- the divalent organic group that can be taken as L 12 is the same as the divalent organic group that can be taken as L 11 , and preferable ones are also the same.
- A shows a functional group. This functional group A is synonymous with the functional group A of Formula (1), and its preferable thing is also the same.
- R 11 to R 27 may have a substituent.
- a partial structure -L 11 -A in the formula (1) or a partial structure in the formula (2)- L 12 -A is preferably a partial structure represented by the following formula (3) or (4). * In each formula represents a C atom in the above formula (1) or a bonding portion to a C atom in the above formula (2).
- X represents -O-, -S- or -N (R 3 )-, and -O- or -S- is preferable.
- R 3 represents a hydrogen atom, an alkyl group (the carbon number is preferably 1 to 8) or an aryl group (the carbon number is preferably 6 to 12).
- a 2 represents a carboxylic acid group.
- L 21 represents a single bond or an alkylene group having 1 to 20 carbon atoms, preferably an alkylene group.
- the alkylene group which can be taken as L 21 has the same meaning as the alkylene group which can be taken as L 11 and preferable ones are also the same, but the particularly preferable range of the carbon number is 2 to 6, and the most preferable range is 2 to 4 is there.
- a 2 represents a carboxylic acid group.
- X represents -O-, -S- or -N (R 3 )-, which has the same meaning as X in formula (3), and preferred examples are also the same.
- L 22 represents a single bond, an alkylene group having 1 to 20 carbon atoms, or an arylene group having 6 to 20 carbon atoms. L 22 is preferably an alkylene group.
- the alkylene group which can be taken as L 22 is the same as the alkylene group which can be taken as L 21 , and preferred ones are also the same.
- the arylene group which can be taken as L 22 is the same as the arylene group which can be taken as L 11 , and preferred ones are also the same.
- Y 2 represents a trivalent group consisting of hydrocarbons.
- the trivalent organic group that can be taken as Y 2 is not particularly limited as long as it is a group obtained by removing 3 hydrogen atoms from a hydrocarbon (a group obtained by replacing 3 hydrogen atoms from a hydrocarbon with a bond “-”) .
- the hydrocarbon is not particularly limited, and includes aliphatic hydrocarbons or aromatic hydrocarbons. In the present invention, the aliphatic hydrocarbon may be saturated or unsaturated, and may be linear or cyclic. Examples include alkanes, olefins (alkenes, alkynes), cycloalkanes, cycloolefins and the like.
- the olefin usually contains one unsaturated group, but in the present invention, it contains those containing two or more unsaturated groups (except those showing aromaticity).
- the hydrocarbon is preferably an alkane or an olefin, and is preferably an alkane.
- the hydrocarbon is preferably an aliphatic hydrocarbon when L 23 and L 24 are a single bond.
- the carbon number of the aliphatic hydrocarbon is not particularly limited, but when the aliphatic hydrocarbon is a chain, it is preferably 1 to 20, more preferably 1 to 18, still more preferably 1 to 10, and particularly preferably 2 to 6 , 2 to 4 are most preferred.
- the aliphatic hydrocarbon is cyclic, 3 to 20 is preferable, 3 to 18 is more preferable, 3 to 10 is more preferable, and 3 to 6 is particularly preferable.
- L 23 and L 24 each independently represent a single bond or an alkylene group having 1 to 20 carbon atoms, and a single bond is preferable.
- the alkylene group which can be taken as L 23 and L 24 has the same meaning as the alkylene group which can be taken as L 21 , and the preferred range is also the same.
- Y 2 is an aliphatic hydrocarbon
- the carbon number of the aliphatic hydrocarbon is maximized.
- Y 2 (aliphatic hydrocarbon) to interpret.
- Y 2 is an ethanetriyl group
- L 23 and L 24 are both interpreted as a single bond.
- the number average molecular weight of the functional group-containing hydrocarbon polymer segment is preferably 500 or more and less than 100000, more preferably 700 or more and less than 50000, and still more preferably 1000 or more and less than 10000.
- X, Y 2 and L 21 to L 24 may have a substituent.
- the functional group-containing hydrocarbon segment is shown below as their precursors (polymers in which terminal reactive groups are bonded to both ends of each segment).
- the functional group-containing hydrocarbon segment is not limited to the following specific examples.
- the numbers attached to the repeating units in the following specific examples indicate mol% of each repeating unit. In a specific example, Me represents methyl and Et represents ethyl.
- segment content Although the content of the segment a in the binder (B) can be appropriately set without being particularly limited, it is preferably in the same range as the content of the following hard segment.
- the content of the hard segment in the binder (B) is preferably 5% by mass or more, more preferably 10% by mass or more, and still more preferably 15% by mass or more based on the total mass of the polymer. As an upper limit, 60 mass% or less is preferable, 50 mass% or less is more preferable, and 40 mass% or less is still more preferable.
- the content of the hard segment in the binder (B) is preferably 50 mol% or more, more preferably 60 mol% or more, and still more preferably 70 mol% or more with respect to the total number of moles of the polymer.
- 99 mol% or less is preferable, 90 mol% or less is more preferable, 80 mol% or less is still more preferable.
- the content of the functional group-containing hydrocarbon polymer segment in the binder (B) is preferably 5% by mass or more, more preferably 10% by mass or more, still more preferably 20% by mass or more based on the total mass of the polymer .
- 80 mass% or less is preferable, 70 mass% or less is more preferable, 60 mass% or less is still more preferable.
- the content of the functional group-containing hydrocarbon polymer segment in the binder (B) is preferably 0.05 mol% or more, more preferably 0.1 mol% or more, and more preferably 0.2 mol% with respect to the total number of moles of the polymer. The above is more preferable.
- 50 mol% or less is preferable, 20 mol% or less is more preferable, and 10 mol% or less is still more preferable.
- the content of the soft segment in the binder (B) is preferably 0% by mass or more, more preferably 10% by mass or more, and still more preferably 20% by mass or more, with respect to the total mass of the polymer. Is particularly preferred. As an upper limit, 90 mass% or less is preferable, 80 mass% or less is more preferable, 70 mass% or less is still more preferable.
- the content of the soft segment in the binder (B) is preferably 0 mol% or more, more preferably 1 mol% or more, still more preferably 2 mol% or more, particularly preferably 5 mol% or more based on the total number of moles of the polymer . As an upper limit, 50 mol% or less is preferable, 30 mol% or less is more preferable, and 20 mol% or less is still more preferable.
- the content of the non-functional group-containing hydrocarbon polymer segment in the binder (B) is preferably 0% by mass or more, more preferably 0.5% by mass or more, and 1% by mass or more based on the total mass of the polymer. Is more preferable, and 2% by mass or more is particularly preferable. As an upper limit, 50 mass% or less is preferable, 30 mass% or less is more preferable, and 20 mass% or less is still more preferable.
- the content of the non-functional group-containing hydrocarbon polymer segment in the binder (B) is preferably 0 mol% or more, more preferably 0.5 mol% or more, further preferably 1 mol% or more, with respect to the total number of moles of the polymer.
- 2 mol% or more is particularly preferable.
- 30 mol% or less is preferable, 20 mol% or less is more preferable, and 10 mol% or less is still more preferable.
- the molar ratio of the soft segment to 100 moles of the hard segment is preferably 1 mole or more, more preferably 10 moles or more, and still more preferably 50 moles or more.
- 1,000 mol or less is preferable, 500 mol or less is more preferable, and 100 mol or less is still more preferable.
- the total content of the functional group-containing hydrocarbon polymer segment and the non-functional group-containing hydrocarbon polymer segment in the binder (B) is preferably 5% by mass or more and 10% by mass or more based on the total mass of the polymer Is more preferable, and 20% by mass or more is more preferable. As an upper limit, 80 mass% or less is preferable, 70 mass% or less is more preferable, 60 mass% or less is still more preferable.
- the total content of the functional group-containing hydrocarbon polymer segment and the non-functional group-containing hydrocarbon polymer segment in the binder (B) is preferably 1 mol% or more, and 2 mol% or more with respect to the total number of moles of the polymer. More preferably, 3 mol% or more is more preferable.
- the mass ratio of the content of the non-functional group-containing hydrocarbon polymer segment to the functional group-containing hydrocarbon polymer segment in the binder (B) is not particularly limited, but is preferably 0 or more, more preferably 1 or more, and 2 or more. More preferable. As an upper limit, 100 or less is preferable, 50 or less is more preferable, and 20 or less is still more preferable.
- the molar ratio of the non-functional group-containing hydrocarbon polymer segment to 100 moles of the functional group-containing hydrocarbon polymer segment in the binder (B) is also not particularly limited, but is preferably 0 or more, more preferably 1 or more, and 2 or more. preferable. As an upper limit, 100 or less is preferable, 50 or less is more preferable, and 20 or less is still more preferable.
- the content of the repeating unit having the above functional group, the repeating unit represented by the above formula (1), and the repeating unit represented by the formula (2) is not particularly limited.
- the content of the repeating unit is preferably 5% by mass or more, more preferably 10% by mass or more, and 20% by mass or more in the functional group-containing hydrocarbon polymer segment from the viewpoint of the effects of the present invention. Is more preferred.
- 100 mass% or less is preferable, 90 mass% or less is more preferable, 80 mass% or less is still more preferable.
- the content of the repeating unit is preferably 5 mol% or more, more preferably 10 mol% or more, and still more preferably 20 mol% or more.
- 100 mol% or less is preferable, 95 mol% or less is more preferable, 90 mol% or less is still more preferable.
- the binder (B) will be specifically described.
- a binder (B) a polymer having an amide bond (polyamide), a polymer having a urea bond (polyurea), a polymer having an imide bond (polyimide), a polymer having a urethane bond (polyurethane) and a polymer having an ester bond (polyester)can be mentioned.
- the binder when the binder is referred to as polyurethane, polyurea, polyamide, polyimide and polyester, other bonds may be included in addition to the main bonds.
- the binder is a binder having the segment a and the functional group-containing hydrocarbon polymer segment, and the segment a, the repeating unit represented by the above formula (1) and the repeating unit represented by the above formula (2) Or at least one repeating unit selected from (partial structure -L 11 -A in formula (1) and partial structure -L 12 -A in formula (2) are each independently selected from the above formula (3) or formula (4)
- a binder (B) (referred to as the polymer of the present invention) having a hydrocarbon polymer segment having a repeating unit which is a partial structure represented by) is preferred.
- the binder (B) preferably further has, if desired, a soft segment and, optionally, the above-mentioned non-functional group-containing hydrocarbon polymer segment.
- the binder has a soft segment
- the combination of the hard segment and the soft segment is not particularly limited, and at least one hard segment having a urethane bond, a urea bond, an amide bond or an imide bond, A combination with at least one soft segment having an alkylene ether chain, a polyester chain, a polycarbonate chain or a silicone chain can be mentioned.
- the binder (B) has a non-functional group-containing hydrocarbon polymer segment
- the combination of the functional group-containing hydrocarbon polymer segment and the non-functional group-containing hydrocarbon polymer segment is not particularly limited. The same hydrocarbon polymer segments may be present except for the presence or absence of
- the binder (B) also preferably has an adsorptive functional group.
- the adsorptive functional group may be present in a polymer main chain (segment) other than the functional group-containing hydrocarbon polymer.
- the adsorptive functional group can interact with inorganic particles such as an inorganic solid electrolyte, an active material, and a conductive additive to improve binding.
- the “hetero atom-containing group” possessed by the “third component” described in paragraph [0059] of JP-A-2015-88480 can be mentioned.
- the binder (B) also preferably has a functional group (hereinafter, also referred to as a crosslinkable functional group) capable of forming a crosslinked structure by a radical polymerization reaction, a cationic polymerization reaction or an anionic polymerization reaction.
- the crosslinkable functional groups react with each other to form a bond, whereby the (B) binder used in the present invention can form a cross-linked structure in the polymer particles or between the polymer particles, and improve the strength.
- the crosslinkable functional group is preferably a group having a carbon-carbon unsaturated bond and / or a cyclic ether group.
- the group having a carbon-carbon unsaturated bond may be a group capable of forming a crosslinked structure by a radical polymerization reaction.
- an alkenyl group (the carbon number is preferably 2 to 12, more preferably 2 to 8), and an alkynyl group (the carbon number is preferably 2 to 12, 2 to 8 are more preferable)
- an acryloyl group and a methacryloyl group are preferably mentioned, and a vinyl group, an allyl group, an ethynyl group, a propargyl group, an acryloyl group, a methacryloyl group and a 2-trifluoromethylpropenoyl group are more preferably mentioned.
- the cyclic ether group can form a crosslinked structure by a cationic polymerization reaction, and specifically, an epoxy group and an oxetanyl group are preferably mentioned. That is, the (B) binder used in the present invention preferably has at least one functional group selected from the following functional group group (I).
- the group having a carbon-carbon unsaturated bond, the epoxy group and the oxetanyl group As the group having a carbon-carbon unsaturated bond, the above-mentioned groups are preferably mentioned, and among them, a vinyl group, an ethynyl group, an acryloyl group, a methacryloyl group or 2 -Trifluoromethylpropenoyl group is preferred.
- the binder preferably has the crosslinkable functional group in addition to both the functional group-containing hydrocarbon polymer segment and the non-functional group-containing hydrocarbon polymer segment in both hard segments or soft segments. Is more preferred.
- carbon-carbon unsaturated bond is contained in the functional group-containing hydrocarbon polymer segment or in the non-functional group-containing hydrocarbon polymer segment (for example, polybutadiene and polyisoprene), it is composed of carbon atoms and hydrogen atoms.
- Crosslinkable functional groups such as vinyl and propenyl groups may be present in the functional group-containing hydrocarbon polymer segment or in the non-functional group containing hydrocarbon polymer segment.
- the content of the crosslinkable functional group in the binder (B) is not particularly limited, but the proportion of the repeating unit having the crosslinkable functional group in all the repeating units constituting the binder (B) is 1 to 50 mol% is preferable, and 5 to 20 mol% is more preferable.
- the reaction between the crosslinkable functional groups is carried out by incorporating a polymerization initiator (radical, cation or anionic polymerization initiator) corresponding to each crosslinkable functional group in the solid electrolyte composition of the present invention, and polymerizing these
- the reaction may be performed by an initiator, or may be performed by a redox reaction during battery operation.
- the radical polymerization initiator may be either a thermal radical polymerization initiator which is cleaved by heat to generate initiation radicals, or a photo radical polymerization initiator which generates initiation radicals by light, electron beam or radiation.
- a polymerization initiator which may be contained in the solid electrolyte composition of the present invention a commonly used polymerization initiator can be used without particular limitation.
- the synthesis method of the binder (B) will be described below.
- the binder (B) described above can be synthesized, for example, by condensation polymerization or polyaddition with any combination of the following compounds, a functional group-containing hydrocarbon polymer, and optionally a non-functional group-containing hydrocarbon polymer.
- the method and conditions of condensation polymerization or polyaddition can be appropriately selected or set.
- the above-mentioned soft segment can also be incorporated into the (B) binder by condensation polymerization or polyaddition by optionally combining the following compounds and the like in the coexistence of compounds forming the hard segment.
- a polymer having an ester bond, a polymer having a carbonate bond, or a polymer having an ether bond can be incorporated into the (B) binder by bonding to a hard segment.
- Polymers having carbonate linkages are obtained by condensation of low molecular weight carbonates (eg, dimethyl carbonate, diethyl carbonate and diphenyl carbonate) with diol compounds.
- the polymer having an ether bond is obtained by the substitution reaction of a halide (for example, halogenated alkyl) or a sulfonic acid ester with a diol compound.
- a halide for example, halogenated alkyl
- a sulfonic acid ester with a diol compound.
- the polymer having an ester bond is obtained by condensation described below.
- the compound used for the synthesis of the binder is, for example, a polymer having an amide bond, a polymer having an imide bond, a polymer having an urethane bond described in paragraphs [0067] to [0100] of JP-A-2015-88480. It is described in the section of polymer and polymer having a urea bond, and these can be suitably used.
- the compounds used to synthesize each of the above polymers are described below.
- the polymer having a urethane bond is obtained by polyaddition of a diisocyanate compound and a diol compound.
- diisocyanate compound examples include the compounds described in paragraphs [0073] to [0084] of JP-A-2015-88480, and 4,4'-diphenylmethane diisocyanate (MDI), 2,4-tolylene diisocyanate (TDI).
- XDI P-xylylene diisocyanate
- IPDI isophorone diisocyanate
- HDI hexamethylene diisocyanate
- CHMDI 1,3-di (isocyanatomethyl) cyclohexane
- H12 MDI 4,4′-methylenebis (cyclohexyl isocyanate
- diol compound examples include compounds described in paragraphs [0094] to [0099] of JP-A-2015-88480, and alkylene glycol, alcohol compound or aromatic phenol compound, oligomer diol, polyester diol compound, polycarbonate diol And silicone diol is preferable, and ethylene glycol, 1,4-butanediol, 1,3-propanediol, dimethylol propionic acid, dimethylol butanoic acid, polyethylene glycol, polypropylene glycol, polytetraethylene glycol or polycarbonate diol is more preferable.
- the component composed of a diisocyanate compound functions as a hard segment and the component composed of a diol compound functions as a soft segment.
- monoalcohol or monoamine can be used as a polymerization terminator.
- the polymerization terminator is introduced at the end of the main chain.
- polyalkylene glycol monoalkyl ether polyethylene glycol mono alkyl ether, polypropylene mono alkyl ether is preferable
- polycarbonate diol mono alkyl ether polycarbonate diol mono alkyl ether, polyester diol mono alkyl ether, polyester mono alcohol, etc.
- the polymer having a urea bond is obtained by condensation polymerization of a diisocyanate compound and a diamine compound.
- the diisocyanate compound include the above-mentioned diisocyanate compounds.
- the diamine compound include compounds described in paragraph [0068] of JP-A-2015-88480, 1,4-butanediamine, 1,3-propanediamine, ethylenediamine, 1,4-cyclohexanediamine or isophorone. Diamines are preferred.
- the polymer having an amide bond can be obtained by condensation polymerization of a diamine compound and a dicarboxylic acid compound or a dicarboxylic acid chloride compound, or ring-opening polymerization of a lactam.
- the diamine compound is as described above.
- Examples of dicarboxylic acid compounds or dicarboxylic acid chloride compounds include the compounds described in paragraph [0069] of JP-A-2015-88480, and those corresponding to terephthalic acid or isophthalic acid, or acid chlorides of these carboxylic acids preferable.
- the polymer having an imide bond is obtained by the addition polymerization of tetracarboxylic acid dianhydride and a diamine compound.
- tetracarboxylic acid dianhydride examples include the compounds described in paragraph [0086] of JP-A-2015-88480, and 5- (2,5-dioxotetrahydrofuryl) -3-methyl-3-cyclohexene- 1,2-dicarboxylic acid anhydride (THFDAA), 1,2,4,5-cyclohexanetetracarboxylic acid dianhydride (CHDAA), 4,4 '-(2,2-hexafluoroisopropylidene) diphthalic acid dianhydride Products (6 FDAA) and the like are preferable.
- the diamine compound used for the polymer having an imide bond examples include the compounds described in JP-A-2015-88480 [0087] to [0090].
- the polymer having an ester bond is obtained by condensation of a dicarboxylic acid compound or a dicarboxylic acid chloride compound with a diol compound.
- a dicarboxylic acid compound or a dicarboxylic acid chloride compound with a diol compound.
- Specific examples of the dicarboxylic acid or dicarboxylic acid chloride and the diol compound are as described above.
- a well-known method is employable suitably.
- a method of synthesizing a functional group-containing hydrocarbon polymer into which a functional group has been introduced and subjecting it to polycondensation or polyaddition with the above compound etc. (sometimes referred to as functional group-containing hydrocarbon polymer polymerization method), or
- There is a method of introducing a functional group after polycondensation or polyaddition of a compound or the like and a non-functional group-containing hydrocarbon polymer (sometimes referred to as non-functional group-containing hydrocarbon polymer polymerization method).
- a functional group-containing hydrocarbon polymer polymerization method the action of a radical, anion or cation on the carbon-carbon unsaturated bond portion of a functional group non-containing hydrocarbon polymer having a terminal reactive group (alcohol, amine, acid anhydride etc.) And the method of adding the nucleophilic group (compound for introduce
- a method of adding a thiol compound having the above functional group to the 1,2-vinyl moiety of polybutadiene can be used.
- the binder (B) can be obtained by subjecting the functional group-containing hydrocarbon polymer thus obtained to polycondensation or polyaddition with the above compounds and the like.
- the enethiol radical addition reaction as described above can be suitably used.
- oligomers having an ene structure having a terminal reactive group capable of condensation polymerization or polyaddition at the polymer end which is suitable as a non-functional group-containing hydrocarbon polymer used for this reaction, include the above-mentioned NISSO-PB series, Series, PolyVEST-HT series, poly-bd series or poly-ip series are preferable.
- the thiol compound is not particularly limited as long as it is a compound having a functional group contained in the above-mentioned functional group and a mercapto group, and examples thereof include mercaptoacetic acid, 3-mercaptopropionic acid, 3-mercaptoisobutyric acid, 4 -Mercaptobutanoic acid, thiomalic acid, ⁇ -thioglycerol, mercaptoethanol, 3-mercaptopropanol, 4-mercaptobutanol, 3-mercaptopropanesulfonic acid, 3-mercaptopropanephosphonic acid, 2-cyanoethanethiol, 3-cyanopropane Thiol, 3-mercaptotrimethoxysilane, 3-mercaptotriethoxysilane, thiophenol, 4-methylthiophenol, 4-methoxythiophenol, 2-mercaptobenzoic acid, 3-mercaptobenzoic acid, 4-mercaptobenzoic acid, naphth Wrench ol, anthrac
- the terminal reactive group (hydroxy group, amino group, acid anhydride group) of the functional group-containing hydrocarbon polymer synthesized as described above may be selected from the above compounds according to, for example, the method described in JP-A-2015-88480.
- the desired polyurethane, polyamide, polyurea, polyimide or polyester can be synthesized by polycondensation or polyaddition with an etc.
- a polyurethane is obtained by polycondensation or polyaddition of a functional group non-containing hydrocarbon polymer having a terminal reactive group (alcohol, amine, acid anhydride etc.) with the above compound etc.
- a polyurea a polyamide, a polyimide or a polyester
- a nucleophilic group having the above functional group is formed on a carbon-carbon unsaturated bond in a non-functional hydrocarbon polymer segment by the action of a radical, an anion or a cation.
- the method of adding is mentioned.
- the polycondensation or polyaddition can be performed, for example, according to the method described in JP-A-2015-88480.
- the nonfunctional group-containing hydrocarbon polymer used in this polymerization method has an unsaturated bond as a reaction origin in its main chain, and a terminal reactive group that can be subjected to polycondensation or polyaddition at the terminal. It is preferable to have The amount of unsaturated bond is not particularly limited.
- non-functional group-containing hydrocarbon polymer segments styrenic thermoplastic elastomers such as SBS (styrene-butadiene block polymer), SEBS (styrene-ethylene-butadiene-styrene block polymer), styrene-styrene-butadiene-styrene block polymer, etc.
- SBR styrene butadiene rubber
- BR butadiene rubber
- NR natural rubber
- IR isoprene rubber
- EPDM ethylene-propylene-diene terpolymer
- NBR acrylonitrile butadiene rubber
- thermal radical initiator in both of the above polymerization methods, either a thermal radical initiator or a photo radical initiator may be used as a radical generator upon radical addition of a compound for introducing a functional group, but heat may be used for the convenience of synthesis. Radical initiators are particularly preferred.
- thermal radical initiators as azo thermal radical initiators, V-60, V-601, V-65, V-70, V-59, V-40, VAm-110, VE-073, NA- 044, VA-046B, V-50, VA-057, VA-061, VA-068 or V-501 (all are trade names, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and the like can be used.
- peroxide type thermal radical initiator Percumyl, Perbutyl, Perhexa, Perroyl, Permenta, Percure, Permec, Niper series etc. (made by NOF Corporation) can be used.
- a compound, partial structure or group which does not specify substitution or non-substitution is meant that the compound, partial structure or group may have an appropriate substituent.
- the compound, the substituent and the linking group etc. contain an alkyl group, an alkylene group, an alkenyl group, an alkenylene group, an alkynyl group and / or an alkynylene group etc., these may be cyclic or chained, and they may be linear or branched. And may be substituted or unsubstituted as described above.
- the bonding mode is not particularly limited as long as the binder (B) has the segment a and the functional group-containing hydrocarbon polymer segment.
- a random polymer or block copolymer (condensation type or polyaddition type) of segment a, functional group-containing hydrocarbon polymer segment, optionally soft segment, and optionally non-functional group-free hydrocarbon polymer segment Segmented polymers).
- the above-mentioned segmented polymer is preferable.
- the polymer of the present invention can be represented, for example, by the formula showing the polymer structure synthesized in the examples described later.
- the molecular structure of the binder (B) is not particularly limited, and various structures such as linear polymers (linear polymers), graft polymers, dendrimers, star polymers, and particulate polymers can be employed. Among them, linear polymers or branched polymers are preferable, and linear polymers are more preferable. When it is a linear polymer, polymer particles are easily formed by the phase inversion emulsification method described later.
- the linear polymer includes not only a polymer not having a completely branched structure but also a substantially linear polymer having a short molecular chain in addition to the main chain.
- the degree of having a short molecular chain may be in a range that does not impair the effects of the present invention, and examples include a range in which particles can be formed by the phase inversion emulsification method described later.
- Linear polymers differ from graft polymers in that they have no graft chains in addition to the main chain.
- the shape of the binder (B) used in the present invention is not particularly limited, and may be particulate or irregular in the solid electrolyte composition, the solid electrolyte-containing sheet or the all solid secondary battery.
- the binder is particles insoluble in the dispersion medium, the viewpoint of dispersion stability of the solid electrolyte composition, and the viewpoint that an all solid secondary battery having high ion conductivity can be obtained.
- “(B) the binder is a particle which is insoluble in the dispersion medium” means that the average particle size does not decrease by 5% or more even when it is added to the dispersion medium at 30 ° C and left standing for 24 hours.
- the (B) binder in the solid electrolyte composition is preferably in the form of particles for suppressing the decrease in inter-particle ion conductivity of inorganic solid electrolytes and the like, and the average particle diameter is preferably 10 to 1000 nm, 100 More preferably, it is -500 nm.
- the average particle size of the (B) binder particles used in the present invention is based on the measurement conditions and definition described below, unless otherwise specified.
- Binder particles are prepared by diluting a 1% by weight dispersion in a 20 mL sample bottle using any solvent (dispersion medium used to prepare a solid electrolyte composition, eg octane). The diluted dispersed sample is irradiated with 1 kHz ultrasound for 10 minutes, and used immediately thereafter for the test. Using this dispersion liquid sample, using a laser diffraction / scattering particle size distribution analyzer LA-920 (trade name, manufactured by HORIBA), data acquisition is performed 50 times using a quartz cell for measurement at a temperature of 25 ° C.
- LA-920 laser diffraction / scattering particle size distribution analyzer LA-920 (trade name, manufactured by HORIBA)
- the obtained volume average particle size is taken as the average particle size.
- JIS Z 8828 2013 "Particle diameter analysis-dynamic light scattering method” as necessary. Five samples are prepared and measured per level, and the average value is adopted.
- the measurement from the produced all-solid-state secondary battery performs the measurement according to the measuring method of the average particle diameter of the said polymer particle about the electrode material, for example, after disassembling a battery and peeling off an electrode, It can carry out by excluding the measured value of the average particle diameter of particles other than the polymer particle which was being measured.
- the weight average molecular weight of the binder (B) is preferably 5,000 or more and less than 5,000,000, more preferably 5,000 or more and less than 500,000, and still more preferably 5,000 or more and less than 50,000.
- the upper limit of the glass transition temperature of the binder (B) is preferably 80 ° C. or less, more preferably 50 ° C. or less, and still more preferably 30 ° C. or less.
- the lower limit is not particularly limited, but is generally ⁇ 80 ° C. or higher.
- the binder may be used in the solid state, or may be used in the form of a polymer particle dispersion or a polymer solution.
- the content of the binder (B) in the solid electrolyte composition is preferably 0.01% by mass or more in 100% by mass of the solid component in terms of compatibility with the inorganic particles and ion conductivity. 1 mass% or more is more preferable, and 1 mass% or more is still more preferable.
- the upper limit is preferably 20% by mass or less, more preferably 10% by mass or less, and still more preferably 5% by mass or less from the viewpoint of battery characteristics.
- the mass ratio of the total mass (total amount) of the inorganic solid electrolyte and the active material to the mass of the (B) binder [(mass of inorganic solid electrolyte + mass of active material) / (B) binder
- the mass of [1] is preferably in the range of 1,000 to 1.
- the ratio is more preferably 500 to 2, and further preferably 100 to 10.
- the solid electrolyte composition of the present invention preferably contains a dispersion medium in order to disperse solid components.
- the dispersion medium may be any one as long as it disperses the above-mentioned components, and examples thereof include various organic solvents. The following may be mentioned as specific examples of the dispersion medium.
- alcohol compound solvents examples include methyl alcohol, ethyl alcohol, 1-propyl alcohol, 2-butanol, ethylene glycol, propylene glycol, glycerin, 1,6-hexanediol, 1,3-butanediol and 1,4-butane Diol is mentioned.
- alkylene glycol alkyl ether ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monobutyl ether, diethylene glycol, dipropylene glycol, propylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol monomethyl ether, triethylene glycol, polyethylene glycol, propylene glycol dimethyl ether, dipropylene glycol Monomethyl ether, tripropylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol monobutyl ether, diethylene glycol dibutyl ether etc., dialkyl ethers (dimethyl ether, diethyl ether, dibutyl ether etc.), tetrahydrofuran and dioxane (1,2-, 1,3- and 1,4- Including respective isomers).
- alkylene glycol alkyl ether ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monobutyl ether, diethylene glycol, dipropylene glycol, propylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol monomethyl ether, triethylene glyco
- amide compound solvent examples include N, N-dimethylformamide, 1-methyl-2-pyrrolidone, 2-pyrrolidinone, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, 2-pyrrolidinone, ⁇ -caprolactam, formamide, N Methylformamide, acetamide, N-methylacetamide, N, N-dimethylacetamide, N-methylpropanamide and hexamethylphosphoric triamide.
- amino compound solvents examples include triethylamine and tributylamine.
- ketone compound solvent examples include acetone, methyl ethyl ketone, diethyl ketone, dipropyl ketone and dibutyl ketone.
- ester compound solvent for example, methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, butyl acetate, pentyl acetate, hexyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, propyl propionate, butyl propionate, methyl butyrate, ethyl butyrate, butyric acid
- ester compound solvent for example, methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, butyl acetate, pentyl acetate, hexyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, propyl propionate, butyl propionate, methyl butyrate, ethyl butyrate, butyric acid
- Examples include propyl, butyl butyrate, pentyl butyrate, methyl valerate, ethyl valerate, propyl valerate, butyl vale
- aromatic compound solvent examples include benzene, toluene, ethylbenzene, xylene and mesitylene.
- aliphatic compound solvents examples include hexane, heptane, cyclohexane, methylcyclohexane, ethylcyclohexane, octane, nonane, decane, pentane, cyclopentane, decalin and cyclooctane.
- nitrile compound solvents examples include acetonitrile, propronitrile and butyronitrile.
- the dispersion medium preferably has a boiling point of 50 ° C. or higher at normal pressure (1 atm), and more preferably 70 ° C. or higher.
- the upper limit is preferably 250 ° C. or less, more preferably 220 ° C. or less.
- the dispersion media may be used alone or in combination of two or more.
- the (C) dispersion medium used in the present invention may be used in any combination, but it is preferred that the (B) binder particles do not dissolve.
- the (C) dispersion medium used in the present invention is preferably an ether compound solvent or a hydrocarbon solvent, and the solid electrolyte composition of the present invention may be carbonized in that it may contain a particulate (B) binder.
- Hydrogen solvents are more preferred.
- the hydrocarbon solvents toluene or xylene is preferable as the aromatic compound solvent, and heptane, octane, cyclohexane or cyclooctane is preferable as the aliphatic compound solvent.
- the content of the dispersion medium in the solid electrolyte composition is not particularly limited, and may be 0% by mass or more.
- the content is preferably 20 to 80% by mass, more preferably 30 to 70% by mass, and particularly preferably 40 to 60% by mass.
- the lower limit value of the content of the hydrocarbon solvent in the dispersion medium (C) is preferably 50% by mass or more, and 70% by mass. % Or more is more preferable, and 90 mass% or more is still more preferable.
- the upper limit value is not particularly limited but is preferably 100% by mass.
- the solid electrolyte composition of the present invention may contain an active material capable of insertion and release of ions of a metal element belonging to Group 1 or Group 2 of the periodic table.
- the active material includes a positive electrode active material and a negative electrode active material, and is preferably a transition metal oxide which is a positive electrode active material or a metal oxide which is a negative electrode active material.
- a solid electrolyte composition containing an active material (a positive electrode active material and a negative electrode active material) may be referred to as a composition for an electrode (a composition for a positive electrode and a composition for a negative electrode).
- the positive electrode active material which may be contained in the solid electrolyte composition of the present invention is preferably one capable of reversibly inserting and releasing lithium ions.
- the material is not particularly limited as long as it has the above-described characteristics, and may be a transition metal oxide, an organic substance, an element such as sulfur that can be complexed with Li, or a complex of sulfur and a metal. Among them, it is preferable to use a transition metal oxide as the positive electrode active material, and a transition metal oxide having a transition metal element M a (one or more elements selected from Co, Ni, Fe, Mn, Cu and V) Are more preferred.
- an element M b (an element of Group 1 (Ia) other than lithium, an element of Group 1 (Ia) of the metal periodic table, an element of Group 2 (IIa), Al, Ga, In, Ge, Sn, Pb, Elements such as Sb, Bi, Si, P or B may be mixed.
- the mixing amount is preferably 0 to 30 mol% with respect to the amount (100 mol%) of the transition metal element M a . It is more preferable to be synthesized by mixing so that the molar ratio of Li / Ma is 0.3 to 2.2.
- transition metal oxide examples include a transition metal oxide having a (MA) layered rock salt type structure, a transition metal oxide having a (MB) spinel type structure, a (MC) lithium-containing transition metal phosphate compound, (MD And the like) lithium-containing transition metal halogenated phosphoric acid compounds and (ME) lithium-containing transition metal silicate compounds.
- MA transition metal oxide having a
- MB transition metal oxide having a (MB) spinel type structure
- MC lithium-containing transition metal phosphate compound
- MD And the like lithium-containing transition metal halogenated phosphoric acid compounds
- ME lithium-containing transition metal silicate compounds.
- transition metal oxides having a layered rock salt type structure LiCoO 2 (lithium cobaltate [LCO]), LiNi 2 O 2 (lithium nickelate), LiNi 0.85 Co 0.10 Al 0. 05 O 2 (lithium nickel cobalt aluminate [NCA]), LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 (lithium nickel manganese cobaltate [NMC]) and LiNi 0.5 Mn 0.5 O 2 ( And lithium manganese nickelate).
- LiCoO 2 lithium cobaltate [LCO]
- LiNi 2 O 2 lithium nickelate
- LiNi 0.85 Co 0.10 Al 0. 05 O 2 lithium nickel cobalt aluminate [NCA]
- LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 lithium nickel manganese cobaltate [NMC]
- LiNi 0.5 Mn 0.5 O 2 And lithium manganese nickelate
- transition metal oxide having a (MB) spinel structure examples include LiMn 2 O 4 (LMO), LiCoMnO 4 , Li 2 FeMn 3 O 8 , Li 2 CuMn 3 O 8 , Li 2 CrMn 3 O 8 and Li 2 NiMn 3 O 8 and the like.
- (MC) lithium-containing transition metal phosphate compounds include olivine-type iron phosphates such as LiFePO 4 and Li 3 Fe 2 (PO 4 ) 3 , iron pyrophosphates such as LiFeP 2 O 7 , LiCoPO 4 etc. Cobalt phosphates and monoclinic Nasacon type vanadium phosphate salts such as Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 (lithium vanadium phosphate).
- (MD) as the lithium-containing transition metal halogenated phosphate compound for example, Li 2 FePO 4 F such fluorinated phosphorus iron salt, Li 2 MnPO 4 hexafluorophosphate manganese salts such as F and Li 2 CoPO 4 F And cobalt fluoride phosphates.
- Li 2 FePO 4 F such fluorinated phosphorus iron salt
- Li 2 MnPO 4 hexafluorophosphate manganese salts such as F and Li 2 CoPO 4 F And cobalt fluoride phosphates.
- the (ME) lithium-containing transition metal silicate compound include Li 2 FeSiO 4 , Li 2 MnSiO 4 and Li 2 CoSiO 4 .
- transition metal oxides having a (MA) layered rock salt type structure are preferred, and LCO, LMO, NCA or NMC are more preferred.
- the shape of the positive electrode active material is not particularly limited, but is preferably in the form of particles.
- the volume average particle diameter (sphere conversion average particle diameter) of the positive electrode active material is not particularly limited. For example, it can be 0.1 to 50 ⁇ m.
- a usual pulverizer or classifier may be used.
- the positive electrode active material obtained by the firing method may be used after washing with water, an acidic aqueous solution, an alkaline aqueous solution and an organic solvent.
- the volume average particle size (sphere-equivalent average particle size) of the positive electrode active material particles can be measured using a laser diffraction / scattering type particle size distribution measuring apparatus LA-920 (trade name, manufactured by HORIBA).
- the positive electrode active materials may be used alone or in combination of two or more.
- the mass (mg) (area weight) of the positive electrode active material per unit area (cm 2 ) of the positive electrode active material layer is not particularly limited. It can be determined appropriately depending on the designed battery capacity.
- the content of the positive electrode active material in the solid electrolyte composition is not particularly limited, and is preferably 10 to 95% by mass, more preferably 30 to 90% by mass, and still more preferably 50 to 85% by mass at 100% by mass of solid content. Preferably, 55 to 80% by mass is particularly preferred.
- the negative electrode active material which may be contained in the solid electrolyte composition of the present invention is preferably one capable of reversibly inserting and releasing lithium ions.
- the material is not particularly limited as long as it has the above-mentioned characteristics, and carbonaceous materials, metal oxides such as tin oxide, silicon oxides, metal complex oxides, lithium alone such as lithium alloy and lithium aluminum alloy, and And metals such as Sn, Si, Al and In which can be alloyed with lithium.
- carbonaceous materials or lithium composite oxides are preferably used from the viewpoint of reliability.
- a metal complex oxide it is preferable that lithium can be occluded and released.
- the material is not particularly limited, but it is preferable in view of high current density charge and discharge characteristics that titanium and / or lithium is contained as a component.
- the carbonaceous material used as the negative electrode active material is a material substantially consisting of carbon.
- various kinds of synthesis such as petroleum pitch, carbon black such as acetylene black (AB), graphite (natural graphite, artificial graphite such as vapor grown graphite etc.), and PAN (polyacrylonitrile) resin or furfuryl alcohol resin
- AB acetylene black
- graphite natural graphite, artificial graphite such as vapor grown graphite etc.
- PAN polyacrylonitrile
- various carbon fibers such as PAN-based carbon fiber, cellulose-based carbon fiber, pitch-based carbon fiber, vapor-grown carbon fiber, dehydrated PVA (polyvinyl alcohol) -based carbon fiber, lignin carbon fiber, glassy carbon fiber and activated carbon fiber And mesophase microspheres, graphite whiskers, and flat graphite.
- an amorphous oxide is particularly preferable, and chalcogenide which is a reaction product of a metal element and an element of Periodic Group 16 is also preferably used.
- amorphous is an X-ray diffraction method using CuK ⁇ radiation, and means one having a broad scattering band having an apex in a region of 20 ° to 40 ° in 2 ⁇ value, and a crystalline diffraction line May be included.
- amorphous oxides of semimetal elements and chalcogenides are more preferable, and elements of periodic table group 13 (IIIB) to 15 (VB), Al Particularly preferred are oxides consisting of Ga, Si, Sn, Ge, Pb, Sb and Bi singly or in combination of two or more thereof, and chalcogenides.
- preferable amorphous oxides and chalcogenides include, for example, Ga 2 O 3 , SiO, GeO, SnO, SnO 2 , PbO, PbO 2 , Pb 2 O 3 , Pb 2 O 4 , Pb 3 O 4 , and the like.
- Sb 2 O 3 , Sb 2 O 4 , Sb 2 O 8 Bi 2 O 3 , Sb 2 O 8 Si 2 O 3 , Bi 2 O 4 , SnSiO 3 , GeSiO, GeS, SnS, SnS 2 , PbS, PbS 2 , Sb 2 S 3 , Sb 2 S 5 and SnSiS 3 are preferably mentioned. They may also be complex oxides with lithium oxide, such as Li 2 SnO 2 .
- the negative electrode active material also preferably contains a titanium atom. More specifically, Li 4 Ti 5 O 12 (lithium titanate [LTO]) is excellent in rapid charge / discharge characteristics because the volume fluctuation at the time of lithium ion absorption and release is small, and the deterioration of the electrode is suppressed, and lithium ion secondary It is preferable at the point which the lifetime improvement of a battery is attained.
- Li 4 Ti 5 O 12 lithium titanate [LTO]
- a Si-based negative electrode it is also preferable to apply a Si-based negative electrode.
- a Si negative electrode can store more Li ions than carbon negative electrodes (graphite, acetylene black, etc.). That is, the storage amount of Li ions per unit mass increases. Therefore, the battery capacity can be increased. As a result, there is an advantage that the battery operating time can be extended.
- the shape of the negative electrode active material is not particularly limited, but is preferably in the form of particles.
- the average particle size of the negative electrode active material is preferably 0.1 to 60 ⁇ m.
- a usual crusher or classifier is used.
- a mortar, a ball mill, a sand mill, a vibrating ball mill, a satellite ball mill, a planetary ball mill, a swirl flow jet mill or a sieve is preferably used.
- wet pulverization in the presence of water or an organic solvent such as methanol can also be carried out as necessary. It is preferable to carry out classification in order to obtain a desired particle size.
- the classification method is not particularly limited, and a sieve, an air classifier or the like can be used as required. Classification can be used both dry and wet.
- the average particle size of the negative electrode active material particles can be measured by the same method as the above-mentioned method of measuring the volume average particle size of the positive electrode active material.
- the chemical formula of the compound obtained by the above-mentioned firing method can be calculated from the mass difference of the powder before and after firing as a measurement method using inductively coupled plasma (ICP) emission spectroscopy and as a simple method.
- ICP inductively coupled plasma
- the negative electrode active materials may be used alone or in combination of two or more.
- the mass (mg) (area weight) of the negative electrode active material per unit area (cm 2 ) of the negative electrode active material layer is not particularly limited. It can be determined appropriately depending on the designed battery capacity.
- the content of the negative electrode active material in the solid electrolyte composition is not particularly limited, and is preferably 10 to 80% by mass, and more preferably 20 to 80% by mass, with respect to 100% by mass of the solid content.
- the surfaces of the positive electrode active material and the negative electrode active material may be surface coated with another metal oxide.
- the surface coating agent may, for example, be a metal oxide containing Ti, Nb, Ta, W, Zr, Al, Si or Li. Specific examples thereof include titanate spinel, tantalum-based oxides, niobium-based oxides, lithium niobate-based compounds, and the like.
- the electrode surface containing a positive electrode active material or a negative electrode active material may be surface-treated with sulfur or phosphorus.
- the particle surface of the positive electrode active material or the negative electrode active material may be subjected to surface treatment with an actinic ray or active gas (such as plasma) before and after the surface coating.
- the solid electrolyte composition of the present invention may contain a conductive aid.
- a conductive support agent What is known as a general conductive support agent can be used.
- electron conductive materials graphites such as natural graphite and artificial graphite, carbon blacks such as acetylene black, ketjen black and furnace black, amorphous carbon such as needle coke, vapor grown carbon fibers or carbon nanotubes Or carbon fibers such as graphene or fullerene, metal powder such as copper or nickel, metal fibers, or conductive polymers such as polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polyacetylene, polyphenylene derivatives, etc.
- the negative electrode active material and the conductive additive are used in combination, when the battery is charged and discharged, insertion and release of Li do not occur, and a material which does not function as a negative electrode active material is used as a conductive additive. Therefore, among the conductive aids, those which can function as the negative electrode active material in the negative electrode active material layer when the battery is charged and discharged are classified into the negative electrode active material instead of the conductive aid. It can not be uniquely said whether it functions as a negative electrode active material when charging and discharging a battery, It determines in the combination with a negative electrode active material.
- the content of the conductive aid is preferably 0 to 5% by mass, and more preferably 0.5 to 3% by mass, with respect to 100% by mass of the solid content in the solid electrolyte composition.
- the solid electrolyte composition of the present invention may contain a lithium salt.
- the lithium salt is not particularly limited, and, for example, lithium salts described in paragraphs 0082 to 0085 of JP-A-2015-088486 are preferable.
- the content of the lithium salt is preferably 0 parts by mass or more, and more preferably 2 parts by mass or more with respect to 100 parts by mass of the solid content in the solid electrolyte composition. As an upper limit, 20 mass parts or less are preferable, and 10 mass parts or less are more preferable.
- the solid electrolyte composition of the present invention may contain a commonly used binder in addition to the (B) binder described above, as long as the effects of the present invention are not impaired.
- a binder used normally, an organic polymer is mentioned,
- the binder which consists of resin described below is used preferably.
- fluorine-containing resin examples include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), and a copolymer of polyvinylidene fluoride and hexafluoropropylene (PVdF-HFP).
- hydrocarbon-based thermoplastic resin examples include polyethylene, polypropylene, styrene butadiene rubber (SBR), hydrogenated styrene butadiene rubber (HSBR), butylene rubber, acrylonitrile-butadiene rubber, polybutadiene, and polyisoprene.
- acrylic resin various (meth) acrylic monomers, (meth) acrylamide monomers, and copolymers of monomers constituting these resins (preferably, copolymers of acrylic acid and methyl acrylate) may be mentioned. Be In addition, copolymers (copolymers) with other vinyl monomers are also suitably used. Examples of other resins include polyurethane resin, polyurea resin, polyamide resin, polyimide resin, polyester resin, polyether resin, polycarbonate resin, and cellulose derivative resin. One of these may be used alone, or two or more of these may be used in combination.
- a commercial item can be used for the said binder. Moreover, it can also prepare by a conventional method.
- the solid electrolyte composition of the present invention may contain a dispersant. Even when the concentration of any of the electrode active material and the inorganic solid electrolyte is high by adding the dispersing agent, and even when the particle diameter is small and the surface area is increased, the aggregation thereof is suppressed, and a uniform active material layer and solid are obtained. An electrolyte layer can be formed.
- a dispersing agent what is normally used for an all-solid-state secondary battery can be selected suitably, and can be used. In general, compounds intended for particle adsorption and steric repulsion and / or electrostatic repulsion are preferably used.
- the solid electrolyte composition of the present invention is prepared by mixing (A) the inorganic solid electrolyte and (B) the binder, if necessary, the dispersion medium or other components, for example, using various mixers.
- Can. Preferably, it can be prepared as a slurry in which (A) an inorganic solid electrolyte and (B) a binder, and (C) a dispersion medium as required, and other components are dispersed in a dispersion medium.
- the slurry of the solid electrolyte composition can be prepared using various mixers.
- the mixing apparatus is not particularly limited, and examples thereof include a ball mill, bead mill, planetary mixer, blade mixer, roll mill, kneader and disk mill.
- the mixing conditions are not particularly limited, but for example, when using a ball mill, it is preferable to mix at 150 to 700 rpm (rotation per minute) for 1 hour to 24 hours.
- it may be added and mixed simultaneously with the above-mentioned dispersion process of the inorganic solid electrolyte (A), or may be separately added and mixed.
- the (B) binder may be added and mixed simultaneously with the dispersing step of the component such as the (A) inorganic solid electrolyte and / or the active material or the dispersing agent, or may be added and mixed separately.
- the form of the binder (B) when added and / or mixed to the solid electrolyte composition of the present invention is (B) the binder itself or (B) the solution of the binder, (B) It may be a dispersion of a binder (non-aqueous solvent dispersion of polymer).
- a dispersion liquid of a binder is preferable from the viewpoint of suppressing decomposition of the inorganic solid electrolyte and being able to be dispersed on the particle surfaces of the active material and the inorganic solid electrolyte to secure the ion conductivity.
- the non-aqueous solvent dispersion of the polymer of the present invention is a dispersion in which particles of the binder (B) are dispersed in a non-aqueous solvent, and is prepared, for example, by the method of preparing the particles of the binder (B) by phase inversion emulsification method.
- the phase inversion emulsification method can be selected from known methods.
- the non-aqueous solvent means a solvent other than water, and a dispersion medium capable of preparing particles of the (B) binder by phase inversion emulsification method is preferable.
- the above-mentioned (C) dispersion medium may be mentioned, and hydrocarbon solvents (the above-mentioned aromatic compound solvents and aliphatic compound solvents), ether solvents and ketone solvents are preferable.
- the non-aqueous solvent dispersion of the polymer of the present invention may contain water as long as the (B) binder is dispersed as particles, but the water content is 100 ppm or less, more preferably 50 ppm or less preferable.
- the non-aqueous solvent dispersion of the polymer of the present invention can be suitably used for all solid secondary batteries, since it can take a form free of a solvent which decomposes the inorganic solid electrolyte and can lower the ion conductivity.
- the non-aqueous solvent dispersion of the polymer of the present invention can be added to and mixed with the solid electrolyte composition of the present invention, it does not require a complicated step, and the step of removing water etc. remaining in the solvent It is unnecessary.
- the non-aqueous solvent dispersion of the polymer according to the present invention can adopt a form without using an emulsifier, when the emulsifier is not used, it is as high as when the polymer solution is dried when it is dried. It has adhesiveness. For this reason, the non-aqueous solvent dispersion of the polymer according to the present invention can be applied not only to all solid secondary battery applications, but also to, for example, adhesives and adhesives, and exerts the excellent effects.
- the content of the binder (B) in the non-aqueous solvent dispersion of the polymer is not particularly limited, but for example, 0.1 to 50% by mass is preferable, and 1 to 30% by mass in 100% by mass of the non-aqueous solvent dispersion More preferable.
- the solid electrolyte-containing sheet of the present invention has a layer containing (A) an inorganic solid electrolyte having conductivity of an ion of a metal belonging to Group 1 or Group 2 of the periodic table, and (B) a binder.
- This (B) binder is synonymous with the (B) binder in the solid electrolyte composition of this invention unless there is particular notice.
- the solid electrolyte-containing sheet of the present invention in particular, the solid electrolyte-containing sheet of the present invention produced using the solid electrolyte composition of the present invention, contains (B) a binder, so that the bending resistance and the scratch resistance and the ion conduction Excellent in degree.
- B a binder
- a solid electrolyte-containing sheet can be produced with high productivity such as roll-to-roll method, moreover, defects in the solid electrolyte layer or the electrolyte layer are less likely to occur, and an active material or an inorganic solid electrolyte can be obtained from the electrode layer or the solid electrolyte layer. Is hard to drop out. Furthermore, when the all-solid secondary battery is manufactured using this solid electrolyte-containing sheet, the above-mentioned production suitability can be excellent, and the manufacturing yield of the all-solid secondary battery can be improved.
- the binder used for the solid electrolyte-containing sheet has the segment a described above and the functional group-containing hydrocarbon polymer segment.
- the functional group-containing hydrocarbon polymer segment as described above, has a functional group bonded to the main chain of the functional group-containing hydrocarbon polymer segment via a linking group. Therefore, since this segment usually has a low glass transition temperature and has a characteristic as a so-called soft segment, the functional group-containing hydrocarbon polymer segment exhibits high molecular mobility during or during preparation of the solid electrolyte composition.
- the molecular mobility of the functional group is also enhanced, and the contact probability with the inorganic particles is considered to be increased.
- the functional group and the inorganic particles adhere to each other efficiently and firmly.
- the content of the binder is reduced, it is considered that high ion conductivity can be maintained without excessively covering the inorganic particles.
- the solid electrolyte-containing sheet of the present invention can be suitably used for an all solid secondary battery, and includes various embodiments according to the application.
- a sheet preferably used for a solid electrolyte layer also referred to as a solid electrolyte-containing sheet or a solid electrolyte-containing sheet for all solid secondary batteries
- these various sheets may be collectively referred to as an all solid secondary battery sheet.
- seat of this invention can also be used suitably for an ion separation membrane or an ion exchange membrane.
- the solid electrolyte-containing sheet of the present invention can be used as an ion exchange membrane of an ion exchange membrane electrodialysis apparatus.
- the sheet for all solid secondary batteries may be a sheet having a solid electrolyte layer or an active material layer (electrode layer), and even a sheet having a solid electrolyte layer or an active material layer (electrode layer) formed on a substrate
- seat which does not have a base material and is formed from the solid electrolyte layer or the active material layer (electrode layer) may be sufficient.
- seat of the aspect which has a solid electrolyte layer or an active material layer (electrode layer) on a base material is demonstrated in detail as an example.
- This sheet for all solid secondary batteries may have other layers as long as it has a base material and a solid electrolyte layer or an active material layer, but those containing an active material are all solids described later. It is classified into an electrode sheet for secondary batteries.
- the other layers include a protective layer, a current collector, a coated layer (current collector, solid electrolyte layer, active material layer) and the like.
- the solid electrolyte-containing sheet for all solid secondary batteries include a sheet having a solid electrolyte layer and, if necessary, a protective layer on a substrate in this order.
- the substrate is not particularly limited as long as it can support the solid electrolyte layer, and examples include materials described in the later-described current collector, sheet bodies (plate-like bodies) of organic materials, inorganic materials, and the like.
- examples of the organic material include various polymers and the like, and specific examples include polyethylene terephthalate, polypropylene, polyethylene and cellulose.
- an inorganic material glass, a ceramic, etc. are mentioned, for example.
- the solid electrolyte layer and the active material layer in the solid electrolyte-containing sheet are preferably the same as those in the solid content of the solid electrolyte composition, unless otherwise specified with respect to the component species to be contained and the content ratio thereof. is there.
- the layer thickness of the solid electrolyte layer of the sheet for all solid secondary batteries is the same as the layer thickness of the solid electrolyte layer described in the all solid secondary battery of the present invention.
- This sheet comprises a solid electrolyte composition of the present invention, preferably, a solid electrolyte composition comprising (A) an inorganic solid electrolyte, (B) a binder, and (C) a dispersion medium on a substrate (other layers) (Coating and drying) to form a solid electrolyte layer on the substrate. Details will be described later.
- the solid electrolyte composition of the present invention can be prepared by the method described above.
- the electrode sheet for all solid secondary batteries of the present invention (also referred to simply as “electrode sheet”) is a sheet for forming an active material layer of all solid secondary batteries, and is provided on a metal foil as a current collector. And an electrode sheet having an active material layer.
- This electrode sheet is usually a sheet having a current collector and an active material layer, but an embodiment having a current collector, an active material layer and a solid electrolyte layer in this order, a current collector, an active material layer, a solid electrolyte The aspect which has a layer and an active material layer in this order is also included.
- the constitution and layer thickness of each layer constituting the electrode sheet are the same as the constitution and layer thickness of each layer described in the all solid secondary battery of the present invention described later.
- the electrode sheet is obtained by forming (coating and drying) the solid electrolyte composition containing an active material of the present invention on a metal foil to form an active material layer on the metal foil. Details will be described later.
- the all solid secondary battery of the present invention has a positive electrode, a negative electrode facing the positive electrode, and a solid electrolyte layer between the positive electrode and the negative electrode.
- the positive electrode has a positive electrode active material layer on a positive electrode current collector.
- the negative electrode has a negative electrode active material layer on a negative electrode current collector.
- the negative electrode active material layer, the positive electrode active material layer, and at least one layer of the solid electrolyte layer are preferably formed using the solid electrolyte composition of the present invention, and (A) inorganic solid electrolyte and (B) binder It is preferable to contain.
- the active material layer and / or solid electrolyte layer formed using the solid electrolyte composition preferably has a solid content of the solid electrolyte composition, unless otherwise specified with respect to the component species contained and the content ratio thereof. It is the same as the one.
- a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1, but the present invention is not limited thereto.
- FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an all solid secondary battery (lithium ion secondary battery) according to a preferred embodiment of the present invention.
- the all solid secondary battery 10 of the present embodiment has a negative electrode current collector 1, a negative electrode active material layer 2, a solid electrolyte layer 3, a positive electrode active material layer 4, and a positive electrode current collector 5 in this order as viewed from the negative electrode side. .
- Each layer is in contact with each other and has a stacked structure. By adopting such a structure, at the time of charge, electrons (e ⁇ ) are supplied to the negative electrode side, and lithium ions (Li + ) are accumulated there.
- the solid electrolyte composition of the present invention can be preferably used as a molding material for the negative electrode active material layer, the positive electrode active material layer, and the solid electrolyte layer.
- seat of this invention is suitable as said negative electrode active material layer, a positive electrode active material layer, and a solid electrolyte layer.
- the all solid secondary battery having the layer configuration of FIG. 1 may be referred to as an all solid secondary battery sheet.
- a positive electrode active material layer (hereinafter also referred to as a positive electrode layer) and a negative electrode active material layer (hereinafter also referred to as a negative electrode layer) may be collectively referred to as an electrode layer or an active material layer.
- a positive electrode active material layer (hereinafter also referred to as a positive electrode layer) and a negative electrode active material layer (hereinafter also referred to as a negative electrode layer) may be collectively referred to as an electrode layer or an active material layer.
- the positive electrode active material and the negative electrode active material may be simply referred to as an active material or an electrode active material.
- any of the positive electrode active material layer, the solid electrolyte layer, and the negative electrode active material layer is manufactured using the solid electrolyte composition of the present invention. That is, when the solid electrolyte layer 3 is produced using the solid electrolyte composition of the present invention, the solid electrolyte layer 3 contains (A) an inorganic solid electrolyte and (B) a binder.
- the solid electrolyte layer usually does not contain a positive electrode active material and / or a negative electrode active material.
- the positive electrode active material layer 4 and / or the negative electrode active material layer 2 are produced using the solid electrolyte composition of the present invention containing an active material
- the positive electrode active material layer 4 and the negative electrode active material layer 2 are respectively And a positive electrode active material or a negative electrode active material, and further includes (A) an inorganic solid electrolyte and (B) a binder.
- the active material layer contains an inorganic solid electrolyte, the ion conductivity can be improved.
- the (A) inorganic solid electrolyte and the (B) binder contained in the positive electrode active material layer 4, the solid electrolyte layer 3 and the negative electrode active material layer 2 may be the same as or different from each other.
- a solid electrolyte composition in which any of the negative electrode active material layer, the positive electrode active material layer and the solid electrolyte layer in the all solid secondary battery contains (A) an inorganic solid electrolyte and (B) a binder It is a layer which is manufactured using the (A) inorganic solid electrolyte and the (B) binder.
- the negative electrode active material layer, the positive electrode active material layer and the solid electrolyte layer in the all solid secondary battery are all made of the above solid electrolyte composition.
- the thicknesses of the positive electrode active material layer 4, the solid electrolyte layer 3, and the negative electrode active material layer 2 are not particularly limited.
- the thickness of each layer is preferably 10 to 1,000 ⁇ m, and more preferably 20 ⁇ m or more and less than 500 ⁇ m, in consideration of the size of a general battery.
- the thickness of at least one of the positive electrode active material layer 4, the solid electrolyte layer 3 and the negative electrode active material layer 2 is more preferably 50 ⁇ m or more and less than 500 ⁇ m.
- the positive electrode current collector 5 and the negative electrode current collector 1 are preferably electron conductors. In the present invention, one or both of the positive electrode current collector and the negative electrode current collector may be simply referred to as a current collector.
- a current collector In addition to aluminum, aluminum alloy, stainless steel, nickel, titanium, etc., as a material for forming the positive electrode current collector, aluminum or stainless steel surface treated with carbon, nickel, titanium or silver (a thin film is formed are preferred, among which aluminum and aluminum alloys are more preferred.
- materials for forming the negative electrode current collector in addition to aluminum, copper, copper alloy, stainless steel, nickel, titanium etc., carbon, nickel, titanium or silver is treated on the surface of aluminum, copper, copper alloy or stainless steel are preferred, with aluminum, copper, copper alloys and stainless steel being more preferred.
- the shape of the current collector is usually in the form of a film sheet, but a net, a punch, a lath body, a porous body, a foam, a molded body of a fiber group and the like can also be used.
- the thickness of the current collector is not particularly limited, but is preferably 1 to 500 ⁇ m. Further, it is also preferable to make the current collector surface uneven by surface treatment.
- functional layers or members are appropriately interposed or disposed between or outside each layer of the negative electrode current collector, the negative electrode active material layer, the solid electrolyte layer, the positive electrode active material layer and the positive electrode current collector.
- Each layer may be composed of a single layer or multiple layers.
- the layers described above can be arranged to produce the basic structure of the all-solid secondary battery. Depending on the application, it may be used as an all solid secondary battery as it is, but in order to form a dry battery, it is further enclosed in a suitable case and used.
- the housing may be metallic or made of resin (plastic). When using a metallic thing, the thing made of aluminum alloy and stainless steel can be mentioned, for example.
- the metallic casing is preferably divided into a casing on the positive electrode side and a casing on the negative electrode side, and is preferably electrically connected to the positive electrode current collector and the negative electrode current collector. It is preferable that the housing on the positive electrode side and the housing on the negative electrode side be joined and integrated through a short circuit preventing gasket.
- the solid electrolyte-containing sheet of the present invention is coated (coated and dried) on the substrate (which may have another layer interposed) of the solid electrolyte composition of the present invention (preferably containing the dispersion medium (C)). ) To obtain a solid electrolyte layer on the substrate.
- a solid electrolyte content sheet which has a solid electrolyte layer which contains (A) an inorganic solid electrolyte and (B) binder on a substrate can be produced.
- a base material can be peeled off from the produced solid electrolyte containing sheet, and the solid electrolyte containing sheet which consists of a solid electrolyte layer can also be produced.
- the method as described in manufacture of the following all solid secondary battery can be used.
- the solid electrolyte-containing sheet may contain (C) a dispersion medium within a range that does not affect battery performance. Specifically, it may be contained in an amount of 1 ppm or more and 10000 ppm or less in the total mass.
- the content ratio of the dispersion medium (C) in the solid electrolyte-containing sheet of the present invention can be measured by the following method.
- the solid electrolyte-containing sheet is punched into a 20 mm square and immersed in heavy tetrahydrofuran in a glass bottle.
- the resulting eluate is filtered through a syringe filter and quantified by 1 H-NMR.
- the correlation between the 1 H-NMR peak area and the amount of solvent is determined by preparing a calibration curve.
- the production of the all solid secondary battery and the electrode sheet for the all solid secondary battery can be performed by a conventional method. Specifically, the all solid secondary battery and the electrode sheet for the all solid secondary battery can be manufactured by forming each of the layers described above using the solid electrolyte composition and the like of the present invention. Details will be described below.
- the all solid secondary battery of the present invention includes the step of applying the solid electrolyte composition of the present invention on a substrate (for example, a metal foil serving as a current collector) to form a coating (film formation) ( Manufacturing).
- a solid electrolyte composition containing a positive electrode active material is applied as a material for positive electrode (composition for positive electrode) on a metal foil that is a positive electrode current collector to form a positive electrode active material layer, and all solid secondary A battery positive electrode sheet is produced.
- a solid electrolyte composition for forming a solid electrolyte layer is applied onto the positive electrode active material layer to form a solid electrolyte layer.
- the solid electrolyte composition containing a negative electrode active material is apply
- An all-solid secondary battery having a structure in which a solid electrolyte layer is sandwiched between a positive electrode active material layer and a negative electrode active material layer by overlapping a negative electrode current collector (metal foil) on the negative electrode active material layer Can. If necessary, it can be enclosed in a casing to make a desired all-solid secondary battery.
- each layer is reversed, a negative electrode active material layer, a solid electrolyte layer, and a positive electrode active material layer are formed on the negative electrode current collector, and the positive electrode current collector is stacked to produce an all solid secondary battery.
- Another method is as follows. That is, as described above, a positive electrode sheet for an all solid secondary battery is produced. In addition, a solid electrolyte composition containing a negative electrode active material is coated on a metal foil that is a negative electrode current collector as a negative electrode material (composition for a negative electrode) to form a negative electrode active material layer, and all solid secondary A battery negative electrode sheet is produced. Next, a solid electrolyte layer is formed on one of the active material layers of these sheets as described above. Furthermore, on the solid electrolyte layer, the other of the all solid secondary battery positive electrode sheet and the all solid secondary battery negative electrode sheet is laminated such that the solid electrolyte layer and the active material layer are in contact with each other. In this way, an all solid secondary battery can be manufactured.
- the following method may be mentioned. That is, as described above, a positive electrode sheet for an all solid secondary battery and a negative electrode sheet for an all solid secondary battery are produced. Moreover, separately from this, a solid electrolyte composition is apply
- An all solid secondary battery can also be manufactured by a combination of the above forming methods. For example, as described above, a positive electrode sheet for all solid secondary batteries, a negative electrode sheet for all solid secondary batteries, and a solid electrolyte-containing sheet for all solid secondary batteries are prepared. Subsequently, after laminating the solid electrolyte layer peeled off from the substrate on the negative electrode sheet for the all solid secondary battery, the whole solid secondary battery can be manufactured by bonding to the positive electrode sheet for the all solid secondary battery. it can. In this method, the solid electrolyte layer may be laminated on the positive electrode sheet for the all solid secondary battery, and may be bonded to the negative electrode sheet for the all solid secondary battery.
- the application method of the solid electrolyte composition is not particularly limited, and can be appropriately selected.
- application preferably wet application
- spray application spin coating application
- dip coating dip coating
- slit application stripe application and bar coating application
- the solid electrolyte composition may be dried after being applied, or may be dried after being applied in multiple layers.
- the drying temperature is not particularly limited.
- the lower limit is preferably 30 ° C. or more, more preferably 60 ° C. or more, and still more preferably 80 ° C. or more. 300 degrees C or less is preferable, 250 degrees C or less is more preferable, and 200 degrees C or less is still more preferable.
- the (C) dispersion medium can be removed to be in a solid state. Moreover, it is preferable because the temperature is not excessively high and the members of the all solid secondary battery are not damaged. Thereby, in the all solid secondary battery, excellent overall performance can be exhibited, and good binding can be obtained.
- the applied solid electrolyte composition or the all solid secondary battery After producing the applied solid electrolyte composition or the all solid secondary battery, it is preferable to pressurize each layer or the all solid secondary battery. Moreover, it is also preferable to pressurize in the state which laminated
- a hydraulic cylinder press machine etc. are mentioned as a pressurization method.
- the pressure is not particularly limited, and in general, the pressure is preferably in the range of 50 to 1,500 MPa.
- the applied solid electrolyte composition may be heated simultaneously with pressurization.
- the heating temperature is not particularly limited, and generally in the range of 30 to 300 ° C. It is also possible to press at a temperature higher than the glass transition temperature of the inorganic solid electrolyte.
- the pressurization may be performed in a state where the coating solvent or the dispersion medium is dried in advance, or may be performed in a state where the solvent or the dispersion medium remains.
- the respective compositions may be applied simultaneously or the application and drying press may be performed simultaneously and / or sequentially. After being applied to separate substrates, they may be laminated by transfer.
- the atmosphere during pressurization is not particularly limited, and may be under air, under dry air (dew point ⁇ 20 ° C. or less), under inert gas (eg, in argon gas, in helium gas, in nitrogen gas).
- the pressing time may be high pressure for a short time (for example, within several hours), or may be medium pressure for a long time (one day or more).
- a restraint (screw tightening pressure or the like) of the all-solid secondary battery can also be used to keep applying medium pressure.
- the pressing pressure may be uniform or different with respect to a pressure receiving portion such as a sheet surface.
- the pressing pressure can be changed according to the area or film thickness of the pressure receiving portion. It is also possible to change the same site in stages with different pressures.
- the press surface may be smooth or roughened.
- the all-solid secondary battery produced as described above is preferably subjected to initialization after production or before use.
- the initialization is not particularly limited, and can be performed, for example, by performing initial charge and discharge in a state where the press pressure is increased, and then releasing the pressure until the general working pressure of the all solid secondary battery is reached.
- the all solid secondary battery of the present invention can be applied to various applications.
- the application mode is not particularly limited, for example, when installed in an electronic device, a laptop computer, a pen input computer, a mobile computer, an e-book player, a mobile phone, a cordless handset, a pager, a handy terminal, a mobile fax, a mobile phone Examples include copying, portable printers, headphone stereos, video movies, LCD TVs, handy cleaners, portable CDs, mini-discs, electric shavers, transceivers, electronic organizers, calculators, portable tape recorders, radios, backup power supplies, memory cards and the like.
- Other consumer products include automobiles (electric cars, etc.), electric vehicles, motors, lighting equipment, toys, game machines, road conditioners, watches, strobes, cameras, medical devices (pace makers, hearing aids, shoulder machines, etc.), etc. . Furthermore, it can be used for various military and space applications. It can also be combined with a solar cell.
- the all solid secondary battery refers to a secondary battery in which the positive electrode, the negative electrode, and the electrolyte are both solid. In other words, it is distinguished from an electrolyte type secondary battery in which a carbonate-based solvent is used as the electrolyte.
- the present invention is premised on an inorganic all-solid secondary battery.
- organic (polymer) all solid secondary batteries using a polymer compound such as polyethylene oxide as an electrolyte and inorganic all solids using the above Li-P-S based glass, LLT or LLZ etc. It is divided into secondary batteries.
- the application of the organic compound to the inorganic all-solid secondary battery is not hindered, and the organic compound can be applied as a binder or an additive for the positive electrode active material, the negative electrode active material, and the inorganic solid electrolyte.
- the inorganic solid electrolyte is distinguished from an electrolyte (polymer electrolyte) in which the above-described polymer compound is used as an ion conduction medium, and the inorganic compound is an ion conduction medium. Specific examples thereof include the above-mentioned Li—P—S-based glass, LLT or LLZ.
- the inorganic solid electrolyte itself does not release cations (Li ions) but exhibits an ion transport function.
- a material serving as a supply source of ions which are added to the electrolytic solution or the solid electrolyte layer to release cations may be referred to as an electrolyte.
- an electrolyte salt When it distinguishes with the electrolyte as said ion transport material, this is called an "electrolyte salt" or a “support electrolyte.”
- electrolyte salt LiTFSI is mentioned, for example.
- the term "composition” means a mixture in which two or more components are uniformly mixed. However, as long as the uniformity is substantially maintained, aggregation or uneven distribution may partially occur in a range where the desired effect is obtained.
- lithium sulfide Li 2 S, manufactured by Aldrich, purity> 99.98%) 2.42 g and diphosphorus pentasulfide (P 2 S) in a glove box under an argon atmosphere (dew point ⁇ 70 ° C.) (5 , manufactured by Aldrich, purity> 99%) 3.90 g of each was weighed, put into a mortar made of agate, and mixed for 5 minutes using a pestle made of agate.
- Synthesis Example 1-2 Synthesis of Functional Group-Containing Hydrocarbon Polymer (b-2) Functional group-containing hydrocarbon polymer (b) in the same manner as in Synthesis Example 1 except that 3-mercaptoisobutyric acid was used in place of 3-mercaptopropionic acid in Synthesis Example 1 and the addition rate of thiol was 89 mol%. I got -2).
- Synthesis Example 1-3 Synthesis of Functional Group-Containing Hydrocarbon Polymer (b-4)> Functional group-containing hydrocarbon polymer (b-4) in the same manner as in Synthesis Example 1 except that thiomalic acid is used instead of 3-mercaptopropionic acid in Synthesis Example 1 and the thiol addition rate is 79 mol%. I got
- Synthesis Example 1-5 Synthesis of Functional Group-Containing Hydrocarbon Polymer (b-12)> Functional group-containing hydrocarbon polymer in the same manner as in Synthesis Example 1 except that 3-mercaptopropanesulfonic acid is used instead of 3-mercaptopropionic acid in Synthesis Example 1, and the addition rate of thiol is 89 mol%. b-12).
- Synthesis Example 1-6 Synthesis of Functional Group-Containing Hydrocarbon Polymer (b-14)> A functional group-containing hydrocarbon polymer (b-) was prepared in the same manner as in Synthesis Example 1 except that 3-mercaptopropanol was used instead of 3-mercaptopropionic acid and the addition rate of thiol was 89 mol%. 14) I got it.
- Synthesis Example 1-7 Synthesis of Functional Group-Containing Hydrocarbon Polymer (b-15) Functional group-containing hydrocarbon polymer (b-15) in the same manner as in Synthesis Example 1 except that thioglycerol is used instead of 3-mercaptopropionic acid in Synthesis Example 1 and the thiol addition rate is 89 mol%.
- thioglycerol is used instead of 3-mercaptopropionic acid in Synthesis Example 1 and the thiol addition rate is 89 mol%.
- a functional group-containing hydrocarbon polymer (b-) was prepared in the same manner as in Synthesis Example 1 except that 2-naphthalenethiol was used instead of 3-mercaptopropionic acid in Synthesis Example 1, and the thiol addition rate was 89 mol%. 20).
- Synthesis Example 1-9 Synthesis of Functional Group-Containing Hydrocarbon Polymer (b-24) Functional group-containing hydrocarbon polymer (b) in the same manner as in Synthesis Example 1 except that 4-mercaptobenzoic acid is used instead of 3-mercaptopropionic acid in Synthesis Example 1, and the addition rate of thiol is 89 mol%. I got -24).
- Synthesis Example 1-10 Synthesis of Functional Group-Containing Hydrocarbon Polymer (b-27)>
- Synthesis Example 1 instead of 3-mercaptopropionic acid, 3-mercaptopropionic acid and benzenethiol are used in combination to set the thiol addition rate by 3-mercaptopropionic acid to 49 mol% and the thiol addition rate by benzenethiol
- a functional group-containing hydrocarbon polymer (b-27) was obtained in the same manner as in Synthesis Example 1 except that the amount was 40 mol%.
- Synthesis Example 1-11 Synthesis of Functional Group-Containing Hydrocarbon Polymer (b-38)> (Synthesis of both terminal amine polybutadiene (precursor I))
- b-38 Synthesis of both terminal amine polybutadiene (precursor I)
- Nisso-pb-G-2000 trade name, both-end hydroxylated polybutadiene, number average molecular weight 1900, manufactured by Nippon Soda Co., Ltd.
- p-toluenesulfonic acid chloride and pyridine were added and stirred at room temperature.
- polyurethane polymers used in the examples were respectively synthesized using the synthesized functional group-containing hydrocarbon polymers.
- the obtained polyurethane polymer is represented by the formula (P-1) described later.
- Synthesis Examples 2-2 to 2-24 Synthesis of Polyurethane Polymers (B-2) to (B-24)>
- the polyurethane polymer (B-1) was prepared in the same manner as the polyurethane polymer (B-1) except that the compounds leading each segment were used in the proportions (molar ratios) shown in Table 1 Polymers (B-2) to (B-24) were synthesized respectively.
- the proportion (50/50) of the diisocyanate compound used for the synthesis of the polymers B-8 and B-22 is a molar ratio. The same applies to the following polymer B-47.
- the obtained polymer solution was diluted with 50 mL of THF, and 100 mL of octane was added dropwise over 30 minutes to emulsify the polymer.
- the obtained emulsion was heated to 100 ° C., and methyl ethyl ketone and THF were distilled off to adjust the concentration, whereby a 10 mass% octane dispersion (B-18 L) of a polyurethane polymer (B-18) was obtained.
- the mass average molecular weight of the polyurethane polymer in this dispersion was 42000, and the average particle size was 250 nm.
- the obtained polyurethane polymer is represented by the following formula (P-1).
- “residue” is a compound other than —OH group and —NCO group which is a reactive group at the compound end among compounds used for synthesis of polyurethane polymer (see Table 1). It means a partial structure.
- MDI 4,4'-diphenylmethane diisocyanate
- XDI p-xylylene diisocyanate
- TDI 2,4-tolylene diisocyanate
- IPDI isophorone diisocyanate
- CHMDI 1,3-di (isocyanatomethyl) cyclohexane
- H12 MDI: 4,4'-methylenebis ( Cyclohexyl isocyanate)
- HDI hexamethylene diisocyanate
- 14BG 1,4-butanediol
- 13PG 1,3-propanediol
- EG ethylene glycol
- DMPA dimethylol propionic acid
- DMBA dimethylol butanoic acid
- S-1 polyethylene glycol (PEG 600, number average molecular weight 600)
- S-2 Polytetraethylene glycol (PTEG 1000, number average molecular weight 1000)
- S-3 polyester polyol (Kuraray polyol
- polyester polymers used in the examples were respectively synthesized as follows.
- the obtained polyester polymer is represented by Formula (P-2) described later.
- Synthesis Examples 3-2 to 3-7 Synthesis of Polyester Polymer (B-25), (B-27) to (B-31)> A polyester polymer (B-26) was prepared in the same manner as the polyester polymer (B-26) except that the compound leading each segment was used at a ratio (molar ratio) shown in Table 2. Polymers (B-25) and (B-27) to (B-31) were synthesized respectively.
- the obtained polyester polymer is represented by the following formula (P-2).
- “residue” is a compound other than —COCl group and —OH group which is a reactive group at the compound end among compounds used for synthesis of polyester polymer (see Table 2). It means a partial structure.
- TPC terephthalic acid dichloride
- IPC isophthalic acid dichloride
- Synthesis Examples 4-1 to 4-7 Synthesis of Polyamide Polymers (B-32) to (B-38)> A polyamide polymer was prepared in the same manner as the polyester polymer (B-26) except that the compound leading each segment was used at a ratio (molar ratio) shown in Table 3 in the method of synthesizing the polyester polymer (B-26). Polymers (B-32) to (B-38) were synthesized respectively.
- the obtained polyamide polymer is represented by the following formula (P-3).
- Z represents -O- or -NH- derived from a functional group-containing hydrocarbon polymer.
- “residue” refers to a reactive group at the compound end of the compound (see Table 3) used for the synthesis of the polyamide polymer, —OH group, —COCl group, and — Refers to partial structures other than NH 2 group.
- Synthesis Examples 5-1 to 5-11 Synthesis of Polyurea Polymers (B-39) to (B-49)> A polyurea polymer was prepared in the same manner as in the method of synthesizing the polyurethane polymer (B-1), except that in the method of synthesizing the polyurethane polymer (B-1), the compound leading each segment was used in the ratio (molar ratio) shown in Table 4. Polymers (B-39) to (B-49) were synthesized respectively.
- the obtained polyurea polymer is represented by the following formula (P-4).
- Z represents -O- or -NH- derived from a functional group-containing hydrocarbon polymer
- Zs represents -O- or -NH- derived from the compound used for introducing the soft segment Show.
- “residue” means an —OH group, an —NH 2 group which is a reactive group at the compound end of the compound (see Table 4) used for the synthesis of the polyurea polymer -A partial structure other than an NCO group.
- Synthesis Example 6-1 Synthesis of Polyimide Polymer (B-60) In a 200 mL three-necked flask, 2.5 g of 4,4 '-(2,2'-hexafluoroisopropylidene) diphthalic anhydride (6FDAA), functional group-containing hydrocarbon polymer synthesized above (b-40) 0.76 g was charged and dissolved in 50 mL of THF.
- 6FDAA 4,4 '-(2,2'-hexafluoroisopropylidene) diphthalic anhydride
- Synthesis Examples 6-2 to 6-11 Synthesis of Polyimide Polymers (B-50) to (B-59)>
- the polyimide polymer (B-60) was prepared in the same manner as the polyimide polymer (B-60) except for using the compound leading each segment in the ratio (molar ratio) shown in Table 5 Polymers (B-50) to (B-59) were synthesized respectively.
- the obtained polyimide polymer is represented by the following formula (P-5).
- Z represents a group obtained by ring opening of —O—, —NH— or an acid anhydride group derived from a functional group-containing hydrocarbon polymer.
- “residue” means an acid anhydride group, an —OH group which is a reactive group at the end of the compound among the compounds (see Table 5) used for the synthesis of the polyimide polymer And a partial structure other than —NH 2 group.
- 6FDAA 4,4 '-(2,2-hexafluoroisopropylidene) diphthalic anhydride
- THFDAA 5- (2,5-dioxotetrahydrofuryl) -3-methyl-3-cyclohexene-1,2-dicarboxylic acid
- Anhydride PDAA pyromellitic anhydride
- CHDAA 1,2,4,5-cyclohexanetetracarboxylic acid dianhydride
- 6FPA 2,2-bis (4-aminophenyl) hexafluoropropane
- DPEA 4,4'-diamino Diphenyl ether
- Example 1 Preparation Example of Solid Electrolyte Composition 180 pieces of zirconia beads with a diameter of 5 mm are put into a 45 mL container made of zirconia (manufactured by Fritsch), and 4.75 g of LPS synthesized above, 0.25 g of binder (B) shown in Table 6 (mass of solid content) 17.0 g of the dispersion medium shown in 6 was charged. Thereafter, this container is set in a Fritsch planetary ball mill P-7, and mixed at a temperature of 25 ° C. and a rotation number of 300 rpm for 2 hours. S-1 to S-15 and CS-1 to CS-4 were prepared respectively. Here, no. S-1 to S-15 are examples of the present invention. CS-1 to CS-4 are comparative examples.
- % in the table indicates% by mass in solid content.
- LPS The number of the Li—P—S-based glass binder (B) synthesized above indicates the number of each polymer synthesized above.
- BC-1 Fluorinated polymer: PVdF-HFP (KYNAR FLEX 2800-20: trade name, manufactured by Arkema)
- BC-2 Hydrocarbon polymer: SBR (styrene-butadiene rubber, product code 182907, manufactured by Aldrich)
- BC-3 Acrylic polymer (polymethyl methacrylate-polymethacrylic acid copolymer (50/50 mol%), product code 337614, manufactured by Aldrich)
- BC-4 Urethane polymer (addition polymer of diphenylmethane diisocyanate (50 mol%), 1,4-butanediol (30 mol%) and 2,2-dimethylol butanoic acid (20 mol%), the above synthesis example)
- the compound was synthesized by
- test bodies 101 to 115 for ion conductivity measurement and c11 to c14 were prepared.
- the ion conductivity was measured using each of the test bodies for ion conductivity measurement obtained above.
- the alternating current impedance was measured at a voltage amplitude of 5 mV and a frequency of 1 MHz to 1 Hz using a 1255 B FREQUENCY RESPONSE ANALYZER (trade name, manufactured by SOLARTRON) in a 30 ° C. constant temperature bath.
- the resistance in the film thickness direction of the bonded solid electrolyte-containing sheet (sample) was determined, and the ion conductivity was determined by calculation using the following formula (I).
- No. 1 produced from a solid electrolyte composition containing a binder not having at least a functional group-containing hydrocarbon polymer segment.
- the solid electrolyte-containing sheet of c11 to c14 does not have a good balance of scratch resistance, bending resistance and ionic conductivity at a high level.
- a solid electrolyte-containing sheet No. 1 prepared from a solid electrolyte composition of the present invention containing a binder (B) having a segment a and a functional group-containing hydrocarbon polymer segment is prepared. It is understood that all of 101 to 115 have a good balance of scratch resistance, bending resistance and ionic conductivity at a high level.
- Example 2 In Example 2, an electrode sheet for an all solid secondary battery was produced and its performance was evaluated. ⁇ Preparation of composition for electrode layer> 180 pieces of zirconia beads with a diameter of 5 mm are charged into a 45 mL container made of zirconia (manufactured by Fritsch), 2.0 g of LPS synthesized in Example 1, 0.1 g of binder (B), and 22 g of octane as a dispersion medium did. Thereafter, this container was set in a Fritsch planetary ball mill P-7, and stirred at a temperature of 25 ° C. at a rotational speed of 300 rpm for 2 hours.
- Fritsch Fritsch planetary ball mill
- composition P-1 for electrode was obtained.
- a composition for an electrode P- was prepared except that the electrode active material, the binder (B) and / or the dispersion medium, and the amount used thereof were changed as shown in Table 8 in the preparation of the composition P-1 for an electrode.
- compositions for electrodes P-2 to P-15 and CP-1 to CP-5 were prepared.
- the composition for each electrode layer obtained above was applied on a stainless steel foil (current collector) with a thickness of 20 ⁇ m by the above-mentioned Baker-type applicator, and heated at 80 ° C. for 2 hours to dry each composition for electrodes . Thereafter, using a heat press, the composition for electrode layer dried to a predetermined density was pressurized (600 MPa, 1 minute) while heating (120 ° C.). Thus, the electrode sheet No. 1 for all solid secondary batteries having an electrode active material layer is prepared. P-1 to P-15 and CP-1 to CP-5 were prepared. The film thickness of the electrode active material layer was 100 ⁇ m.
- LPS The number of the Li—P—S-based glass binder (B) synthesized above indicates the number of each polymer synthesized above.
- NCA LiNi 0.85 Co 0.10 Al 0.05 O 2 Nickel Cobalt Aluminum Oxide
- NMC LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 Nickel Manganese Cobalt Oxide
- No. 1 made from a composition for an electrode layer containing a binder (B) not having at least a functional group-containing hydrocarbon polymer segment.
- the electrode sheets for all solid secondary batteries of CP-1 to CP-5 do not have a good balance of scratch resistance, bending resistance and ionic conductivity at high levels.
- the solid electrolyte-containing sheet or the electrode sheet for all solid secondary batteries produced using the solid electrolyte composition of the present invention is high when used in all solid secondary batteries. It can be seen that the all-solid secondary battery can be provided with excellent properties such as the ion conductivity and further that the occurrence of short circuit can be suppressed. In addition, when the solid electrolyte-containing sheet or the electrode sheet for the all solid secondary battery is used for manufacturing the all solid secondary battery, the production suitability of the all solid secondary battery can be excellent and the yield can be improved.
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Abstract
周期律表第一族又は第二族に属する金属のイオンの伝導性を有する無機固体電解質と、特定の炭化水素ポリマーセグメント及び特定のセグメントを有するバインダーとを含有する固体電解質組成物、これを用いた固体電解質含有シート及びその製造方法、全固体二次電池及びその製造方法、並びに、特定の炭化水素ポリマーセグメント及び特定のセグメントを有するポリマー及びその非水溶媒分散物。
Description
本発明は、固体電解質組成物、固体電解質含有シート及びその製造方法、全固体二次電池及びその製造方法、並びに、ポリマー及びその非水溶媒分散物に関する。
全固体リチウムイオン二次電池等の全固体二次電池は、負極と、正極と、負極及び正極の間に挟まれた無機固体電解質(SE:Solid Electrolite)とを有し、両電極間にイオン(例えばリチウムイオン)を往復移動させることにより、充放電を可能とした蓄電池である。上記の全固体二次電池は、無機固体電解質を用いるため、有機電解液が不要となる。その結果、全固体二次電池の製造は、負極又は正極を形成する電極層と無機固体電解質を形成する固体電解質層とを順に積層して行うことができる。また、この方法によれば、各層を大面積化して、成形加工することができる。これにより、全固体二次電池の高出力化ないしは高容量化を実現することができる。
上述の優位性を持つ全固体二次電池について、更に電極層となる電極シート又は固体電解質層となる固体電解質含有シートの面からの改良が検討されている。
例えば、無機固体電解質等とバインダーとを含有する固体電解質組成物を用いることにより、バインダーと無機固体電解質等との密着性(結着性)を向上させる方法が提案されている。このようなバインダーとして、特許文献1にはフッ素ゴム(VDF-HFP)が記載されている。特許文献2には、特定の構造単位及び特定の官能基を有する重合体と、液状媒体とを含有するバインダー組成物が記載されている。また、特許文献3にはハードセグメントとソフトセグメントとを有するポリマーが記載されている。
例えば、無機固体電解質等とバインダーとを含有する固体電解質組成物を用いることにより、バインダーと無機固体電解質等との密着性(結着性)を向上させる方法が提案されている。このようなバインダーとして、特許文献1にはフッ素ゴム(VDF-HFP)が記載されている。特許文献2には、特定の構造単位及び特定の官能基を有する重合体と、液状媒体とを含有するバインダー組成物が記載されている。また、特許文献3にはハードセグメントとソフトセグメントとを有するポリマーが記載されている。
本発明者らはこのような固体電解質層を用いる全固体二次電池の工業的製造の見地から検討を進めた。その結果、上述した方法により、全固体二次電池の生産適性を上げ、歩留まりを向上させるためには、上述の密着性だけではなく、固体電解質層の強靭性も重要であることが分かってきた。
各シートは、通常、製造後に一時的に保管される。そのため、電極層又は固体電解質層がシート裏面に接触しても、電極層又は固体電解質層の表面に傷ないしはヒビ等の欠陥が生じにくい特性(耐傷性)が求められる。また、製造工程中又は製造後にシートを巻芯に、例えば高い曲率で巻き取ることもあり、電極層又は固体電解質層から活物質又は無機固体電解質が脱落しにくい特性(耐屈曲性)も求められる。特に、生産性を考慮して、シートをロール トゥ ロール法で生産する場合、上記特性は重要となる。
各シートは、通常、製造後に一時的に保管される。そのため、電極層又は固体電解質層がシート裏面に接触しても、電極層又は固体電解質層の表面に傷ないしはヒビ等の欠陥が生じにくい特性(耐傷性)が求められる。また、製造工程中又は製造後にシートを巻芯に、例えば高い曲率で巻き取ることもあり、電極層又は固体電解質層から活物質又は無機固体電解質が脱落しにくい特性(耐屈曲性)も求められる。特に、生産性を考慮して、シートをロール トゥ ロール法で生産する場合、上記特性は重要となる。
しかし、上記バインダーを用いる技術において、上記特性の向上を目的としてバインダーの使用量を増大させると、使用量の増大に伴って活物質又は無機固体電解質に対しバインダーが被膜化してイオン伝導度を低下させることになる。このように、バインダーを用いる場合、その使用量について、上記特性とイオン伝導度とはトレードオフの関係にある。特許文献1又は2に記載されたフッ素ゴム又はバインダー組成物を用いても十分な改善効果はない。また、特許文献3に記載されたポリマーは、ある程度の改善効果を示すものの、まだ満足できるものではない。
本発明は、全固体二次電池を構成する固体電解質含有シートの作製に用いることにより、固体電解質含有シートに、耐屈曲性及び耐傷性とイオン伝導度とを高い水準で付与できる固体電解質組成物を提供することを課題とする。本発明は、上述の固体電解質組成物に用いるのに好適な、ポリマー及びその非水溶媒分散物を提供することを課題とする。
また、本発明は、上述の固体電解質組成物を用いた固体電解質含有シート及び全固体二次電池、並びに、これらの製造方法を提供することを課題とする。
また、本発明は、上述の固体電解質組成物を用いた固体電解質含有シート及び全固体二次電池、並びに、これらの製造方法を提供することを課題とする。
本発明者らが鋭意検討した結果、活物質若しくは無機固体電解質(これらを合わせて無機粒子という)に対して、これら無機粒子に吸着しうる官能基を有する炭化水素ポリマーセグメントと特定のセグメントとを有するポリマーをバインダーとして組み合わせて用いることにより、得られる固体電解質含有シートに、高いイオン伝導度を維持したまま、優れた耐屈曲性及び耐傷性を付与でき、上記の工業的な製造において生産性の改善が可能となることを見出した。また、この固体電解質含有シートを用いることにより、イオン伝導度が高く、更には短絡の発生を抑制できる全固体二次電池を実現できることを見出した。本発明はこれらの知見に基づき更に検討を重ね、完成されるに至ったものである。
すなわち、上記の課題は以下の手段により解決された。
<1>周期律表第一族又は第二族に属する金属のイオンの伝導性を有する無機固体電解質(A)と、バインダー(ポリマー)(B)とを含有する固体電解質組成物であって、
バインダー(B)が、ウレタン結合、ウレア結合、アミド結合、イミド結合及びエステル結合から選ばれる少なくとも1種の結合を主鎖に有するセグメントaと、下記官能基群から選ばれる少なくとも1種を有する官能基含有炭化水素ポリマーセグメントとを有する、無機固体電解質組成物。
<官能基群>
カルボン酸基、スルホン酸基、リン酸基、ヒドロキシ基、アミノ基、シアノ基、アルコキシシリル基、芳香族炭化水素環基、芳香族複素環基、3環以上が縮環した脂肪族炭化水素環基
<1>周期律表第一族又は第二族に属する金属のイオンの伝導性を有する無機固体電解質(A)と、バインダー(ポリマー)(B)とを含有する固体電解質組成物であって、
バインダー(B)が、ウレタン結合、ウレア結合、アミド結合、イミド結合及びエステル結合から選ばれる少なくとも1種の結合を主鎖に有するセグメントaと、下記官能基群から選ばれる少なくとも1種を有する官能基含有炭化水素ポリマーセグメントとを有する、無機固体電解質組成物。
<官能基群>
カルボン酸基、スルホン酸基、リン酸基、ヒドロキシ基、アミノ基、シアノ基、アルコキシシリル基、芳香族炭化水素環基、芳香族複素環基、3環以上が縮環した脂肪族炭化水素環基
<2>セグメントaが、ウレタン結合、ウレア結合、アミド結合及びイミド結合から選ばれる少なくとも1種の結合を主鎖に有するハードセグメントである<1>に記載の無機固体電解質組成物。
<3>官能基含有炭化水素ポリマーセグメントが、下記式(1)で表される繰り返し単位及び下記式(2)で表される繰り返し単位から選ばれる少なくとも1種の繰り返し単位を有する<1>又は<2>に記載の固体電解質組成物。
式(1)及び式(2)中、R11~R27は各々独立に水素原子、アルキル基又はアリール基を示す。L11は置換基を有していてもよい2価の有機基を示す。L12は単結合又は置換基を有していてもよい2価の有機基を示す。Aは上記官能基群から選ばれる官能基を示す。
<3>官能基含有炭化水素ポリマーセグメントが、下記式(1)で表される繰り返し単位及び下記式(2)で表される繰り返し単位から選ばれる少なくとも1種の繰り返し単位を有する<1>又は<2>に記載の固体電解質組成物。
<4>式(1)中の部分構造-L11-A、又は、式(2)中の部分構造-L12-Aが、下記式(3)又は式(4)で示される<3>に記載の固体電解質組成物。
式(3)及び式(4)中、Xは-O-、-S-又は-N(R3)-を示す。R3は水素原子、アルキル基又はアリール基を示す。L21は単結合又は炭素数1~20のアルキレン基を示す。L22は単結合、炭素数1~20のアルキレン基又は炭素数6~20のアリーレン基を示す。Y2は炭化水素からなる3価の基を示す。L23及びL24は各々独立に単結合又は炭素数1~20のアルキレン基を示す。A2はカルボン酸基を示す。*は、式(1)中のC原子又は式(2)中のC原子との結合部を示す。
<5>バインダー(B)が、数平均分子量300以上の、ポリアルキレンエーテル鎖、ポリエステル鎖、ポリカーボネート鎖及びシリコーン鎖から選ばれる少なくとも1種の鎖を有するソフトセグメントを有する<1>~<4>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
<6>バインダー(B)が、上記官能基群から選ばれる官能基を含まない官能基非含有炭化水素ポリマーセグメントを有する<1>~<5>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
<7>バインダー(B)が、平均粒子径10~1000nmの粒子状ポリマーである<1>~<6>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
<8>分散媒(C)を含有する<1>~<7>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
<9>活物質(D)を含有する<1>~<8>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
<10>導電助剤(E)を含有する<1>~<9>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
<11>無機固体電解質(A)が、硫化物系無機固体電解質である<1>~<10>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
<12>周期律表第一族又は第二族に属する金属のイオンの伝導性を有する無機固体電解質(A)と、バインダー(B)とを含有する固体電解質含有シートであって、
バインダー(B)が、ウレタン結合、ウレア結合、アミド結合、イミド結合及びエステル結合から選ばれる少なくとも1種の結合を主鎖に有するセグメントaと、下記官能基群から選ばれる少なくとも1種を有する官能基含有炭化水素ポリマーセグメントとを有する、固体電解質含有シート。
<官能基群>
カルボン酸基、スルホン酸基、リン酸基、ヒドロキシ基、アミノ基、シアノ基、アルコキシシリル基、芳香族炭化水素環基、芳香族複素環基、3環以上が縮環した脂肪族炭化水素環基
<13>上記<12>に記載の固体電解質含有シートの製造方法であって、
無機固体電解質(A)と、バインダー(B)と、分散媒(C)とを含有する固体電解質組成物を基材上に塗布する工程と、塗布した固体電解質組成物を乾燥する工程とを含む固体電解質含有シートの製造方法。
<14>正極活物質層、負極活物質層及び固体電解質層を具備する全固体二次電池であって、
正極活物質層、負極活物質層及び固体電解質層の少なくとも1つの層が、周期律表第一族又は第二族に属する金属のイオンの伝導性を有する無機固体電解質(A)とバインダー(B)とを含有し、
バインダー(B)が、ウレタン結合、ウレア結合、アミド結合、イミド結合及びエステル結合から選ばれる少なくとも1種の結合を主鎖に有するセグメントaと、下記官能基群から選ばれる少なくとも1種を有する官能基含有炭化水素ポリマーセグメントとを有する、全固体二次電池。
<官能基群>
カルボン酸基、スルホン酸基、リン酸基、ヒドロキシ基、アミノ基、シアノ基、アルコキシシリル基、芳香族炭化水素環基、芳香族複素環基、3環以上が縮環した脂肪族炭化水素環基
<15>上記<13>に記載の固体電解質含有シートの製造方法を介して、全固体二次電池を製造する、全固体二次電池の製造方法。
<7>バインダー(B)が、平均粒子径10~1000nmの粒子状ポリマーである<1>~<6>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
<8>分散媒(C)を含有する<1>~<7>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
<9>活物質(D)を含有する<1>~<8>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
<10>導電助剤(E)を含有する<1>~<9>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
<11>無機固体電解質(A)が、硫化物系無機固体電解質である<1>~<10>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
<12>周期律表第一族又は第二族に属する金属のイオンの伝導性を有する無機固体電解質(A)と、バインダー(B)とを含有する固体電解質含有シートであって、
バインダー(B)が、ウレタン結合、ウレア結合、アミド結合、イミド結合及びエステル結合から選ばれる少なくとも1種の結合を主鎖に有するセグメントaと、下記官能基群から選ばれる少なくとも1種を有する官能基含有炭化水素ポリマーセグメントとを有する、固体電解質含有シート。
<官能基群>
カルボン酸基、スルホン酸基、リン酸基、ヒドロキシ基、アミノ基、シアノ基、アルコキシシリル基、芳香族炭化水素環基、芳香族複素環基、3環以上が縮環した脂肪族炭化水素環基
<13>上記<12>に記載の固体電解質含有シートの製造方法であって、
無機固体電解質(A)と、バインダー(B)と、分散媒(C)とを含有する固体電解質組成物を基材上に塗布する工程と、塗布した固体電解質組成物を乾燥する工程とを含む固体電解質含有シートの製造方法。
<14>正極活物質層、負極活物質層及び固体電解質層を具備する全固体二次電池であって、
正極活物質層、負極活物質層及び固体電解質層の少なくとも1つの層が、周期律表第一族又は第二族に属する金属のイオンの伝導性を有する無機固体電解質(A)とバインダー(B)とを含有し、
バインダー(B)が、ウレタン結合、ウレア結合、アミド結合、イミド結合及びエステル結合から選ばれる少なくとも1種の結合を主鎖に有するセグメントaと、下記官能基群から選ばれる少なくとも1種を有する官能基含有炭化水素ポリマーセグメントとを有する、全固体二次電池。
<官能基群>
カルボン酸基、スルホン酸基、リン酸基、ヒドロキシ基、アミノ基、シアノ基、アルコキシシリル基、芳香族炭化水素環基、芳香族複素環基、3環以上が縮環した脂肪族炭化水素環基
<15>上記<13>に記載の固体電解質含有シートの製造方法を介して、全固体二次電池を製造する、全固体二次電池の製造方法。
<16>ウレタン結合、ウレア結合、アミド結合、イミド結合及びエステル結合から選ばれる少なくとも1種の結合を主鎖に有するセグメントaと、炭化水素ポリマーセグメントとを有するポリマーであって、
炭化水素ポリマーセグメントが、下記式(1)で表される繰り返し単位及び下記式(2)で表される繰り返し単位から選ばれる少なくとも1種の繰り返し単位を有するポリマー。
式(1)及び式(2)中、R11~R27は各々独立に水素原子、アルキル基又はアリール基を示す。式(1)中の部分構造-L11-A及び式(2)中の部分構造-L12-Aは各々独立に下記式(3)又は式(4)で示される部分構造を示す。
式(3)及び式(4)中、Xは-O-、-S-又は-N(R3)-を示す。R3は水素原子、アルキル基又はアリール基を示す。L21は単結合又は炭素数1~20のアルキレン基を示す。L22は単結合、炭素数1~20のアルキレン基又は炭素数6~20のアリーレン基を示す。Y2は炭化水素からなる3価の基を示す。L23及びL24は各々独立に単結合又は炭素数1~20のアルキレン基を示す。A2はカルボン酸基を示す。*は、式(1)中のC原子又は式(2)中のC原子との結合部を示す。
炭化水素ポリマーセグメントが、下記式(1)で表される繰り返し単位及び下記式(2)で表される繰り返し単位から選ばれる少なくとも1種の繰り返し単位を有するポリマー。
<17>上記<16>に記載のポリマーの非水溶媒分散物。
本発明は、固体電解質含有シートに、耐屈曲性及び耐傷性とイオン伝導度とを高い水準で付与できる固体電解質組成物を提供できる。本発明は、上述の固体電解質組成物に用いるのに好適な、ポリマー及びその非水溶媒分散物を提供できる。
また、本発明は、上述の固体電解質組成物を用いた固体電解質含有シート及び全固体二次電池、並びに、これらの製造方法を提供できる。
また、本発明は、上述の固体電解質組成物を用いた固体電解質含有シート及び全固体二次電池、並びに、これらの製造方法を提供できる。
本明細書において、「~」を用いて表される数値範囲は、「~」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
本明細書において、単に「アクリル」又は「(メタ)アクリル」と記載するときは、アクリル及び/又はメタアクリルを意味する。また、単に「アクリロイル」又は「(メタ)アクリロイル」と記載するときは、アクリロイル及び/又はメタクリロイルを意味する。
本明細書において、化合物の表示(例えば、化合物と末尾に付して呼ぶとき)については、この化合物そのものの他、その塩、そのイオンを含む意味に用いる。
本明細書において、単に「アクリル」又は「(メタ)アクリル」と記載するときは、アクリル及び/又はメタアクリルを意味する。また、単に「アクリロイル」又は「(メタ)アクリロイル」と記載するときは、アクリロイル及び/又はメタクリロイルを意味する。
本明細書において、化合物の表示(例えば、化合物と末尾に付して呼ぶとき)については、この化合物そのものの他、その塩、そのイオンを含む意味に用いる。
本明細書において、質量平均分子量(Mw)及び数平均分子量(Mn)は、特段の断りがない限り、ゲル浸透クロマトグラフィー(Gel Permeation Chromatography:GPC)によってポリスチレン換算の分子量として計測することができる。このとき、GPC装置「HLC-8220」(商品名、東ソー社製)を用い、カラムとしてG3000HXL+G2000HXL(いずれも商品名、東ソー社製)を用い、測定温度23℃で流量1mL/minで、示差屈折計(RI検出器)により検出することとする。溶離液としては、THF(テトラヒドロフラン)、クロロホルム、NMP(N-メチル-2-ピロリドン)、及び、m-クレゾール/クロロホルム混合液(湘南和光純薬社製)から選定することができる。測定試料が溶解する場合、THFを用いることとする。
[固体電解質組成物]
本発明の固体電解質組成物は、周期律表第一族又は第二族に属する金属のイオンの伝導性を有する無機固体電解質(A)と、バインダー(B)とを含有する。
後述するように、固体電解質組成物中において、無機固体電解質(A)とバインダー(B)とは、互いに遊離(分散)していてもよいが、通常、バインダー(B)中の官能基等と無機固体電解質(A)とが相互作用して、バインダー(B)と無機固体電解質(A)とが密着している。特に後述する本発明の固体電解質含有シート及び本発明の全固体二次電池を形成する活物質層ないしは固体電解質層においては、無機固体電解質(A)とバインダー(B)とは密着している。全固体二次電池用電極シート及び活物質層ではバインダー(B)は無機固体電解質(A)の他にも活物質、導電助剤等とも密着していることが好ましい。
バインダー(B)が無機固体電解質(A)等に密着しているとき、バインダー(B)の官能基は、無機固体電解質(A)等との相互作用の種類によって、(化学的ないしは物理的に)変化することなくそのままで存在していてもよく、また、変化していてもよい。官能基が化学的ないしは物理的に変化したものとしては、例えば活性水素が離脱したアニオン、例えば活性水素が他のカチオンと交換した塩等が挙げられる。無機固体電解質(A)等とバインダー(B)とが密着するための相互作用等については後述する。
本発明の固体電解質組成物は、上述のように、相互作用により無機固体電解質(A)等とバインダー(B)とが密着して(一体的になって)、後述する所期の作用効果を奏すると、考えられる。
以下に、好ましい実施形態について説明する。
本発明の固体電解質組成物は、周期律表第一族又は第二族に属する金属のイオンの伝導性を有する無機固体電解質(A)と、バインダー(B)とを含有する。
後述するように、固体電解質組成物中において、無機固体電解質(A)とバインダー(B)とは、互いに遊離(分散)していてもよいが、通常、バインダー(B)中の官能基等と無機固体電解質(A)とが相互作用して、バインダー(B)と無機固体電解質(A)とが密着している。特に後述する本発明の固体電解質含有シート及び本発明の全固体二次電池を形成する活物質層ないしは固体電解質層においては、無機固体電解質(A)とバインダー(B)とは密着している。全固体二次電池用電極シート及び活物質層ではバインダー(B)は無機固体電解質(A)の他にも活物質、導電助剤等とも密着していることが好ましい。
バインダー(B)が無機固体電解質(A)等に密着しているとき、バインダー(B)の官能基は、無機固体電解質(A)等との相互作用の種類によって、(化学的ないしは物理的に)変化することなくそのままで存在していてもよく、また、変化していてもよい。官能基が化学的ないしは物理的に変化したものとしては、例えば活性水素が離脱したアニオン、例えば活性水素が他のカチオンと交換した塩等が挙げられる。無機固体電解質(A)等とバインダー(B)とが密着するための相互作用等については後述する。
本発明の固体電解質組成物は、上述のように、相互作用により無機固体電解質(A)等とバインダー(B)とが密着して(一体的になって)、後述する所期の作用効果を奏すると、考えられる。
以下に、好ましい実施形態について説明する。
<(A)無機固体電解質>
無機固体電解質とは、無機の固体電解質のことであり、固体電解質とは、その内部においてイオンを移動させることができる固体状の電解質のことである。主たるイオン伝導性材料として有機物を含むものではないことから、有機固体電解質(ポリエチレンオキシド(PEO)などに代表される高分子電解質、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiTFSI)などに代表される有機電解質塩)とは明確に区別される。また、無機固体電解質は定常状態では固体であるため、通常カチオン及びアニオンに解離又は遊離していない。この点で、電解液、又は、ポリマー中でカチオン及びアニオンが解離若しくは遊離している無機電解質塩(LiPF6、LiBF4、LiFSI、LiClなど)とも明確に区別される。無機固体電解質は周期律表第一族又は第二族に属する金属のイオンの伝導性を有するものであれば特に限定されず電子伝導性を有さないものが一般的である。
無機固体電解質とは、無機の固体電解質のことであり、固体電解質とは、その内部においてイオンを移動させることができる固体状の電解質のことである。主たるイオン伝導性材料として有機物を含むものではないことから、有機固体電解質(ポリエチレンオキシド(PEO)などに代表される高分子電解質、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiTFSI)などに代表される有機電解質塩)とは明確に区別される。また、無機固体電解質は定常状態では固体であるため、通常カチオン及びアニオンに解離又は遊離していない。この点で、電解液、又は、ポリマー中でカチオン及びアニオンが解離若しくは遊離している無機電解質塩(LiPF6、LiBF4、LiFSI、LiClなど)とも明確に区別される。無機固体電解質は周期律表第一族又は第二族に属する金属のイオンの伝導性を有するものであれば特に限定されず電子伝導性を有さないものが一般的である。
本発明において、無機固体電解質は、周期律表第一族又は第二族に属する金属のイオン伝導性を有する。本発明の全固体二次電池が全固体リチウムイオン二次電池である場合、無機固体電解質はリチウムイオンのイオン伝導度を有することが好ましい。
上記無機固体電解質は、この種の製品に適用される固体電解質材料を適宜選定して用いることができる。無機固体電解質は(i)硫化物系無機固体電解質と(ii)酸化物系無機固体電解質が代表例として挙げられる。本発明において、活物質と無機固体電解質との間により良好な界面を形成することができるため、硫化物系無機固体電解質が好ましく用いられる。
上記無機固体電解質は、この種の製品に適用される固体電解質材料を適宜選定して用いることができる。無機固体電解質は(i)硫化物系無機固体電解質と(ii)酸化物系無機固体電解質が代表例として挙げられる。本発明において、活物質と無機固体電解質との間により良好な界面を形成することができるため、硫化物系無機固体電解質が好ましく用いられる。
((i)硫化物系無機固体電解質)
硫化物系無機固体電解質は、硫黄原子(S)を含有し、かつ、周期律表第一族又は第二族に属する金属のイオン伝導性を有し、かつ、電子絶縁性を有するものが好ましい。硫化物系無機固体電解質は、元素として少なくともLi、S及びPを含有し、リチウムイオン伝導性を有しているものが好ましいが、目的又は場合に応じて、Li、S及びP以外の他の元素を含んでもよい。
硫化物系無機固体電解質は、イオン伝導度として、1×10-6S/cm以上であることが好ましく、5×10-6S/cm以上であることがより好ましく、1×10-5S/cm以上であることが特に好ましい。上限は特に限定されないが、1×10-1S/cm以下であることが実際的である。
硫化物系無機固体電解質として、例えば、下記式(I)で示される組成を満たすリチウムイオン伝導性無機固体電解質が挙げられる。
硫化物系無機固体電解質は、硫黄原子(S)を含有し、かつ、周期律表第一族又は第二族に属する金属のイオン伝導性を有し、かつ、電子絶縁性を有するものが好ましい。硫化物系無機固体電解質は、元素として少なくともLi、S及びPを含有し、リチウムイオン伝導性を有しているものが好ましいが、目的又は場合に応じて、Li、S及びP以外の他の元素を含んでもよい。
硫化物系無機固体電解質は、イオン伝導度として、1×10-6S/cm以上であることが好ましく、5×10-6S/cm以上であることがより好ましく、1×10-5S/cm以上であることが特に好ましい。上限は特に限定されないが、1×10-1S/cm以下であることが実際的である。
硫化物系無機固体電解質として、例えば、下記式(I)で示される組成を満たすリチウムイオン伝導性無機固体電解質が挙げられる。
La1Mb1Pc1Sd1Ae1 式(I)
式中、LはLi、Na及びKから選択される元素を示し、Liが好ましい。Mは、B、Zn、Sn、Si、Cu、Ga、Sb、Al及びGeから選択される元素を示す。Aは、I、Br、Cl及びFから選択される元素を示す。a1~e1は各元素の組成比を示し、a1:b1:c1:d1:e1は1~12:0~5:1:2~12:0~10を満たす。a1は1~9が好ましく、1.5~7.5がより好ましい。b1は0~3が好ましい。d1は2.5~10が好ましく、3.0~8.5がより好ましい。e1は0~5が好ましく、0~3がより好ましい。
式中、LはLi、Na及びKから選択される元素を示し、Liが好ましい。Mは、B、Zn、Sn、Si、Cu、Ga、Sb、Al及びGeから選択される元素を示す。Aは、I、Br、Cl及びFから選択される元素を示す。a1~e1は各元素の組成比を示し、a1:b1:c1:d1:e1は1~12:0~5:1:2~12:0~10を満たす。a1は1~9が好ましく、1.5~7.5がより好ましい。b1は0~3が好ましい。d1は2.5~10が好ましく、3.0~8.5がより好ましい。e1は0~5が好ましく、0~3がより好ましい。
各元素の組成比は、下記のように、硫化物系無機固体電解質を製造する際の原料化合物の配合量を調整することにより制御できる。
硫化物系無機固体電解質は、非結晶(ガラス)であっても結晶化(ガラスセラミックス化)していてもよく、一部のみが結晶化していてもよい。例えば、Li、P及びSを含有するLi-P-S系ガラス、又はLi、P及びSを含有するLi-P-S系ガラスセラミックスを用いることができる。
硫化物系無機固体電解質は、例えば硫化リチウム(Li2S)、硫化リン(例えば五硫化二燐(P2S5))、単体燐、単体硫黄、硫化ナトリウム、硫化水素、ハロゲン化リチウム(例えばLiI、LiBr、LiCl)及び上記Mであらわされる元素の硫化物(例えばSiS2、SnS、GeS2)の中の少なくとも2つ以上の原料の反応により製造することができる。
硫化物系無機固体電解質は、例えば硫化リチウム(Li2S)、硫化リン(例えば五硫化二燐(P2S5))、単体燐、単体硫黄、硫化ナトリウム、硫化水素、ハロゲン化リチウム(例えばLiI、LiBr、LiCl)及び上記Mであらわされる元素の硫化物(例えばSiS2、SnS、GeS2)の中の少なくとも2つ以上の原料の反応により製造することができる。
Li-P-S系ガラス及びLi-P-S系ガラスセラミックスにおける、Li2SとP2S5との比率は、Li2S:P2S5のモル比で、好ましくは60:40~90:10、より好ましくは68:32~78:22である。Li2SとP2S5との比率をこの範囲にすることにより、リチウムイオン伝導度を高いものとすることができる。具体的には、リチウムイオン伝導度を好ましくは1×10-4S/cm以上、より好ましくは1×10-3S/cm以上とすることができる。上限は特にないが、1×10-1S/cm以下であることが実際的である。
具体的な硫化物系無機固体電解質の例として、原料の組み合わせ例を下記に示す。例えば、Li2S-P2S5、Li2S-P2S5-LiCl、Li2S-P2S5-H2S、Li2S-P2S5-H2S-LiCl、Li2S-LiI-P2S5、Li2S-LiI-Li2O-P2S5、Li2S-LiBr-P2S5、Li2S-Li2O-P2S5、Li2S-Li3PO4-P2S5、Li2S-P2S5-P2O5、Li2S-P2S5-SiS2、Li2S-P2S5-SiS2-LiCl、Li2S-P2S5-SnS、Li2S-P2S5-Al2S3、Li2S-GeS2、Li2S-GeS2-ZnS、Li2S-Ga2S3、Li2S-GeS2-Ga2S3、Li2S-GeS2-P2S5、Li2S-GeS2-Sb2S5、Li2S-GeS2-Al2S3、Li2S-SiS2、Li2S-Al2S3、Li2S-SiS2-Al2S3、Li2S-SiS2-P2S5、Li2S-SiS2-P2S5-LiI、Li2S-SiS2-LiI、Li2S-SiS2-Li4SiO4、Li2S-SiS2-Li3PO4、Li10GeP2S12などが挙げられる。ただし、各原料の混合比は問わない。このような原料組成物を用いて硫化物系無機固体電解質材料を合成する方法としては、例えば非晶質化法を挙げることができる。非晶質化法としては、例えば、メカニカルミリング法、溶液法及び溶融急冷法を挙げられる。常温での処理が可能になり、製造工程の簡略化を図ることができるからである。
((ii)酸化物系無機固体電解質)
酸化物系無機固体電解質は、酸素原子(O)を含有し、かつ、周期律表第一族又は第二族に属する金属のイオン伝導性を有し、かつ、電子絶縁性を有する化合物が好ましい。
酸化物系無機固体電解質は、イオン伝導度として、1×10-6S/cm以上であることが好ましく、5×10-6S/cm以上であることがより好ましく、1×10-5S/cm以上であることが特に好ましい。上限は特に限定されないが、1×10-1S/cm以下であることが実際的である。
酸化物系無機固体電解質は、酸素原子(O)を含有し、かつ、周期律表第一族又は第二族に属する金属のイオン伝導性を有し、かつ、電子絶縁性を有する化合物が好ましい。
酸化物系無機固体電解質は、イオン伝導度として、1×10-6S/cm以上であることが好ましく、5×10-6S/cm以上であることがより好ましく、1×10-5S/cm以上であることが特に好ましい。上限は特に限定されないが、1×10-1S/cm以下であることが実際的である。
具体的な化合物例としては、例えばLixaLayaTiO3〔xa=0.3~0.7、ya=0.3~0.7〕(LLT)、LixbLaybZrzbMbb
mbOnb(MbbはAl,Mg,Ca,Sr,V,Nb,Ta,Ti,Ge,In,Snの少なくとも1種以上の元素でありxbは5≦xb≦10を満たし、ybは1≦yb≦4を満たし、zbは1≦zb≦4を満たし、mbは0≦mb≦2を満たし、nbは5≦nb≦20を満たす。)、LixcBycMcc
zcOnc(MccはC,S,Al,Si,Ga,Ge,In,Snの少なくとも1種以上の元素でありxcは0≦xc≦5を満たし、ycは0≦yc≦1を満たし、zcは0≦zc≦1を満たし、ncは0≦nc≦6を満たす。)、Lixd(Al,Ga)yd(Ti,Ge)zdSiadPmdOnd(ただし、1≦xd≦3、0≦yd≦1、0≦zd≦2、0≦ad≦1、1≦md≦7、3≦nd≦13)、Li(3-2xe)Mee
xeDeeO(xeは0以上0.1以下の数を表し、Meeは2価の金属原子を表す。Deeはハロゲン原子又は2種以上のハロゲン原子の組み合わせを表す。)、LixfSiyfOzf(1≦xf≦5、0<yf≦3、1≦zf≦10)、LixgSygOzg(1≦xg≦3、0<yg≦2、1≦zg≦10)、Li3BO3-Li2SO4、Li2O-B2O3-P2O5、Li2O-SiO2、Li6BaLa2Ta2O12、Li3PO(4-3/2w)Nw(wはw<1)、LISICON(Lithium super ionic conductor)型結晶構造を有するLi3.5Zn0.25GeO4、ペロブスカイト型結晶構造を有するLa0.55Li0.35TiO3、NASICON(Natrium super ionic conductor)型結晶構造を有するLiTi2P3O12、Li1+xh+yh(Al,Ga)xh(Ti,Ge)2-xhSiyhP3-yhO12(ただし、0≦xh≦1、0≦yh≦1)、ガーネット型結晶構造を有するLi7La3Zr2O12(LLZ)等が挙げられる。
また、Li、P及びOを含むリン化合物も望ましい。例えばリン酸リチウム(Li3PO4)、リン酸リチウムの酸素の一部を窒素で置換したLiPON、LiPOD1(D1は、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Ag、Ta、W、Pt、Au等から選ばれる少なくとも1種)等が挙げられる。
更に、LiA1ON(A1は、Si、B、Ge、Al、C、Ga等から選ばれる少なくとも1種)等も好ましく用いることができる。
また、Li、P及びOを含むリン化合物も望ましい。例えばリン酸リチウム(Li3PO4)、リン酸リチウムの酸素の一部を窒素で置換したLiPON、LiPOD1(D1は、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Ag、Ta、W、Pt、Au等から選ばれる少なくとも1種)等が挙げられる。
更に、LiA1ON(A1は、Si、B、Ge、Al、C、Ga等から選ばれる少なくとも1種)等も好ましく用いることができる。
無機固体電解質は粒子であることが好ましい。粒子状の無機固体電解質の体積平均粒子径は特に限定されないが、0.01μm以上であることが好ましく、0.1μm以上であることがより好ましい。上限としては、100μm以下であることが好ましく、50μm以下であることがより好ましい。なお、無機固体電解質粒子の平均粒子径の測定は、以下の手順で行う。無機固体電解質粒子を、水(水に不安定な物質の場合はヘプタン)を用いて20mlサンプル瓶中で1質量%の分散液を希釈調整する。希釈後の分散試料は、1kHzの超音波を10分間照射し、その直後に試験に使用する。この分散液試料を用い、レーザ回折/散乱式粒度分布測定装置LA-920(HORIBA社製)を用いて、温度25℃で測定用石英セルを使用してデータ取り込みを50回行い、体積平均粒子径を得る。その他の詳細な条件等は必要によりJISZ8828:2013「粒子径解析-動的光散乱法」の記載を参照する。1水準につき5つの試料を作製しその平均値を採用する。
上記無機固体電解質は、1種を単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
無機固体電解質の固体電解質組成物中の固形成分における含有量は、全固体二次電池に用いたときの界面抵抗の低減と、低減された界面抵抗の維持を考慮したとき、固形成分100質量%において、5質量%以上であることが好ましく、10質量%以上であることがより好ましく、20質量%以上であることが特に好ましい。上限としては、同様の観点から、99.9質量%以下であることが好ましく、99.5質量%以下であることがより好ましく、99質量%以下であることが特に好ましい。
ただし、固体電解質組成物が後述する活物質を含有する場合、固体電解質組成物中の無機固体電解質の含有量は、活物質と無機固体電解質との合計含有量が上記範囲であることが好ましい。
本明細書において、固形成分(固形分)とは、窒素雰囲気下170℃で6時間乾燥処理を行ったときに、揮発ないし蒸発して消失しない成分をいう。典型的には、後述の分散媒以外の成分を指す。
ただし、固体電解質組成物が後述する活物質を含有する場合、固体電解質組成物中の無機固体電解質の含有量は、活物質と無機固体電解質との合計含有量が上記範囲であることが好ましい。
本明細書において、固形成分(固形分)とは、窒素雰囲気下170℃で6時間乾燥処理を行ったときに、揮発ないし蒸発して消失しない成分をいう。典型的には、後述の分散媒以外の成分を指す。
<(B)バインダー>
本発明の固体電解質組成物は、(B)バインダーを含有する。
本発明に用いる(B)バインダーは、その主鎖中に、ウレタン結合、ウレア結合、アミド結合、イミド結合及びエステル結合から選ばれる少なくとも1種の結合を主鎖に有するセグメントaと、下記の官能基を有する官能基含有炭化水素ポリマーセグメントとを有する。このバインダーが有する官能基は、官能基含有炭化水素ポリマーセグメントの主鎖に対して連結基を介して結合している。官能基については後述する。
本発明の固体電解質組成物は、(B)バインダーを含有する。
本発明に用いる(B)バインダーは、その主鎖中に、ウレタン結合、ウレア結合、アミド結合、イミド結合及びエステル結合から選ばれる少なくとも1種の結合を主鎖に有するセグメントaと、下記の官能基を有する官能基含有炭化水素ポリマーセグメントとを有する。このバインダーが有する官能基は、官能基含有炭化水素ポリマーセグメントの主鎖に対して連結基を介して結合している。官能基については後述する。
上述の結合は、セグメントaの主鎖中に含まれる限り特に制限されるものでなく、繰り返し単位を形成する構成成分を結合する結合として繰り返し単位中に含まれる態様及び/又は異なる繰り返し単位同士を結合する結合として含まれる態様のいずれでもよい。ただし、上記の結合は、官能基含有炭化水素ポリマーセグメント、及び、官能基非含有炭化水素ポリマーセグメントそれぞれの主鎖中に含まれることはない。
本明細書において、「主鎖」とは、ポリマーにおける全ての分子鎖のうち、主鎖以外の全ての分子鎖が、主鎖に対するペンダントとみなし得る線状分子鎖を意味する。典型的には、ポリマーを構成する分子鎖のうち最長鎖が主鎖である。ただし、ポリマー末端が有する官能基は主鎖に含まない。
本明細書において、「主鎖」とは、ポリマーにおける全ての分子鎖のうち、主鎖以外の全ての分子鎖が、主鎖に対するペンダントとみなし得る線状分子鎖を意味する。典型的には、ポリマーを構成する分子鎖のうち最長鎖が主鎖である。ただし、ポリマー末端が有する官能基は主鎖に含まない。
(B)バインダーは、セグメントaと官能基含有炭化水素ポリマーセグメントとを有するものであれば特に限定されず、更に、ソフトセグメント及び官能基非含有炭化水素ポリマーセグメントから選択された少なくとも1種のセグメントを有することも好ましい。
以下に、各セグメントについて説明する。
以下に、各セグメントについて説明する。
(セグメントa)
セグメントaは、(B)バインダーの主鎖中に含まれる、ウレタン結合、ウレア結合、アミド結合、イミド結合及びエステル結合から選ばれる少なくとも1種の結合を主鎖に有するセグメントである。このセグメントaは、ウレタン結合、ウレア結合、アミド結合及びイミド結合から選ばれる少なくとも1種の結合を主鎖に有するハードセグメントであることが好ましい。
セグメントaは、(B)バインダーの主鎖中に含まれる、ウレタン結合、ウレア結合、アミド結合、イミド結合及びエステル結合から選ばれる少なくとも1種の結合を主鎖に有するセグメントである。このセグメントaは、ウレタン結合、ウレア結合、アミド結合及びイミド結合から選ばれる少なくとも1種の結合を主鎖に有するハードセグメントであることが好ましい。
(ハードセグメント)
ハードセグメントは、主鎖に、芳香族基若しくは複素芳香族基、若しくは脂肪族脂環式基といった剛直な基、又は、分子間水素結合若しくはπ-π相互作用による分子間パッキングを可能にする結合部を有するセグメントをいい、一般的に剛直性を備え凝集力が強くかつ繊維形態を有するセグメントである。また、上述のような剛直な基等を有していなくても、直鎖状若しくは分岐状の脂肪族炭化水素基であって下記のガラス転移温度ないしは分子量を満たすセグメントもハードセグメントに分類する。このようなハードセグメントを形成する化合物を短鎖化合物(例えば短鎖ジオール)という。ハードセグメントを形成する部分構造を持つ化合物(セグメントの両末端に水素原子を付加したもの)のガラス転移温度(Tg)は高く、典型的には100℃以上を示すものをいう。ハードセグメントは、それを形成する部分構造を持つ化合物の(数平均)分子量に着目すると、300未満のものをいう。
ハードセグメントは、主鎖に、芳香族基若しくは複素芳香族基、若しくは脂肪族脂環式基といった剛直な基、又は、分子間水素結合若しくはπ-π相互作用による分子間パッキングを可能にする結合部を有するセグメントをいい、一般的に剛直性を備え凝集力が強くかつ繊維形態を有するセグメントである。また、上述のような剛直な基等を有していなくても、直鎖状若しくは分岐状の脂肪族炭化水素基であって下記のガラス転移温度ないしは分子量を満たすセグメントもハードセグメントに分類する。このようなハードセグメントを形成する化合物を短鎖化合物(例えば短鎖ジオール)という。ハードセグメントを形成する部分構造を持つ化合物(セグメントの両末端に水素原子を付加したもの)のガラス転移温度(Tg)は高く、典型的には100℃以上を示すものをいう。ハードセグメントは、それを形成する部分構造を持つ化合物の(数平均)分子量に着目すると、300未満のものをいう。
ハードセグメントは、上述の特性を有するものであれば、特に限定されないが、少なくとも1つの上記結合を有するものが好ましく、水素結合を介在して分子間擬似架橋を形成する骨格を有するものがより好ましい。ハードセグメントは、上記結合以外の結合を更に有してもよく、例えば、カーボネート結合を分子鎖中に有するポリウレタンからなるセグメントの態様等が挙げられる。
ハードセグメントは下記I群から選ばれるセグメント(基)が更に好ましい。下記式において、*は結合部を表す。
ハードセグメントは下記I群から選ばれるセグメント(基)が更に好ましい。下記式において、*は結合部を表す。
式(I-1)及び(I-2)中、RH1及びRH2は各々独立にアルキレン基(炭素数は、1~18が好ましく、2~18がより好ましく、4~13が更に好ましい)、アリーレン基(炭素数は、6~16が好ましく、6~10がより好ましい)、又はその組み合わせを表す。なお、式(I-2)が酸素原子又はイミノ基(>NRN)に連結していくことで、ウレタン基又はウレア基になる。RNは水素原子又はアルキル基(炭素数は、1~12が好ましく、1~6がより好ましく、1~3が更に好ましい)を表す。
式(I-3)中、RH3は芳香族若しくは脂肪族の4価の連結基を表す。RH3は下記の式(i)~(iix)のいずれかで表される連結基が好ましい。
式(i)~(iix)中、X1は単結合又は2価の連結基を表す。2価の連結基としては、炭素数1~6のアルキレン基(例えば、メチレン、エチレン、プロピレン)が好ましい。プロピレンとしては、1,3-ヘキサフルオロ-2,2-プロパンジイルが好ましい。Lは-CH2=CH2-又は-CH2-を表す。RX及びRYは各々独立に、水素原子又は置換基を表す。上記式において、*はカルボニル基との結合部位を表す。
RX及びRYとして採りうる置換基としては、アルキル基(炭素数は、1~12が好ましく、1~6がより好ましく、1~3が更に好ましい)又はアリール基(炭素数は、6~22が好ましく、6~14がより好ましく、6~10が更に好ましい)が挙げられる。
(ソフトセグメント)
ソフトセグメントとは、主鎖に長鎖直線状基又は長鎖分岐基を有するセグメントを言い、一般的に、柔らかく、伸縮性を有するセグメントである。ソフトセグメント(両末端に水素原子を付加したもの)のガラス転移温度は低く、50℃以下を示すものをいう。
ソフトセグメントは、上述の特性を有するものであれば、特に限定されないが、数平均分子量が300以上の鎖であって、ポリアルキレンオキシド鎖(ポリアルキレンエーテル鎖ともいい、ポリエチレンオキシド鎖、ポリプロピレンオキシド鎖が好ましい)、ポリカーボネート鎖、ポリエステル鎖及びシリコーン鎖の少なくともいずれかの鎖を含有することが好ましい。ソフトセグメントは下記II群から選ばれる基がより好ましい。下記式において、*は結合部位を表す。
ソフトセグメントとは、主鎖に長鎖直線状基又は長鎖分岐基を有するセグメントを言い、一般的に、柔らかく、伸縮性を有するセグメントである。ソフトセグメント(両末端に水素原子を付加したもの)のガラス転移温度は低く、50℃以下を示すものをいう。
ソフトセグメントは、上述の特性を有するものであれば、特に限定されないが、数平均分子量が300以上の鎖であって、ポリアルキレンオキシド鎖(ポリアルキレンエーテル鎖ともいい、ポリエチレンオキシド鎖、ポリプロピレンオキシド鎖が好ましい)、ポリカーボネート鎖、ポリエステル鎖及びシリコーン鎖の少なくともいずれかの鎖を含有することが好ましい。ソフトセグメントは下記II群から選ばれる基がより好ましい。下記式において、*は結合部位を表す。
式(II-1)~(II-5)中、R21は水素原子又はアルキル基(炭素数は、1~12が好ましく、1~6がより好ましく、1~3が更に好ましい)を表す。
R22は、ポリアルキレンオキシド鎖(ポリエチレンオキシド鎖、ポリプロピレンオキシド鎖が好ましい)、ポリカーボネート鎖、ポリエステル鎖又はシリコーン鎖を含有する数平均分子量300以上200,000以下の置換基を表す。数平均分子量は、500以上が好ましく、700以上がより好ましく、1,000以上が更に好ましい。上限としては、100,000以下が好ましく、10,000以下がより好ましい。
R22は、末端にアルキル基(炭素数は、1~12が好ましく、1~6がより好ましい)を有することが好ましい。また、アルキル基中に、エーテル基(-O-)、チオエーテル基(-S-)、カルボニル基(>C=O)、イミノ基(>NRN)を有していてもよい。RNは上述の通りである。
R22は、末端にアルキル基(炭素数は、1~12が好ましく、1~6がより好ましい)を有することが好ましい。また、アルキル基中に、エーテル基(-O-)、チオエーテル基(-S-)、カルボニル基(>C=O)、イミノ基(>NRN)を有していてもよい。RNは上述の通りである。
また、R22は下記のヘテロ原子含有基又は炭素-炭素不飽和基を有していてもよい。
へテロ原子含有基としては、アルコール性水酸基(ヒドロキシアルキル基:炭素数は、1~6が好ましく、1~3がより好ましい。)、フェノール性水酸基(ヒドロキシフェニル基)、メルカプト基、カルボキシ基、スルホ基、スルホンアミド基、リン酸基、シアノ基、アミノ基、双性イオン含有基、金属ヒドロキシド基及び金属アルコキシド基の少なくともいずれかであることが好ましい。ここで、アミノ基は-N(RN)2で表され、RNは上述の通りである。双性イオン含有基は、具体的には、ベタイン構造(炭素数は、1~12が好ましく、1~6がより好ましい。)であり、カチオン部分は4級アンモニウム、スルホニウム、ホスホニウムが挙げられ、アニオン部はカルボキシレート、スルホネートが挙げられる。金属ヒドロキシドは、具体的には、ヒドロキシルシリル基、ヒドロキシルチタニル基である。金属アルコキシドは、具体的には、アルコキシシリル基(炭素数は、1~12が好ましく、1~6がより好ましい。)、アルコキシチタニル基(炭素数は、1~12が好ましく、1~6がより好ましい。)が好ましく、より具体的には、トリメトキシシリル基、メチルジメトキシシリル基、トリエトキシシリル基、メチルジエトキシシリル基、トリメトキシチタニル基である。
炭素-炭素不飽和基として、炭素-炭素二重結合又は炭素-炭素三重結合が挙げられる。炭素-炭素二重結合を含む基として、具体的には、アクリル基、メタクリル基、ビニル基、アリル基、マレイミド基等が挙げられる。炭素-炭素三重結合として、具体的には、エチニル基、プロパルギル基等が挙げられる。
へテロ原子含有基としては、アルコール性水酸基(ヒドロキシアルキル基:炭素数は、1~6が好ましく、1~3がより好ましい。)、フェノール性水酸基(ヒドロキシフェニル基)、メルカプト基、カルボキシ基、スルホ基、スルホンアミド基、リン酸基、シアノ基、アミノ基、双性イオン含有基、金属ヒドロキシド基及び金属アルコキシド基の少なくともいずれかであることが好ましい。ここで、アミノ基は-N(RN)2で表され、RNは上述の通りである。双性イオン含有基は、具体的には、ベタイン構造(炭素数は、1~12が好ましく、1~6がより好ましい。)であり、カチオン部分は4級アンモニウム、スルホニウム、ホスホニウムが挙げられ、アニオン部はカルボキシレート、スルホネートが挙げられる。金属ヒドロキシドは、具体的には、ヒドロキシルシリル基、ヒドロキシルチタニル基である。金属アルコキシドは、具体的には、アルコキシシリル基(炭素数は、1~12が好ましく、1~6がより好ましい。)、アルコキシチタニル基(炭素数は、1~12が好ましく、1~6がより好ましい。)が好ましく、より具体的には、トリメトキシシリル基、メチルジメトキシシリル基、トリエトキシシリル基、メチルジエトキシシリル基、トリメトキシチタニル基である。
炭素-炭素不飽和基として、炭素-炭素二重結合又は炭素-炭素三重結合が挙げられる。炭素-炭素二重結合を含む基として、具体的には、アクリル基、メタクリル基、ビニル基、アリル基、マレイミド基等が挙げられる。炭素-炭素三重結合として、具体的には、エチニル基、プロパルギル基等が挙げられる。
R23は、ポリアルキレンオキシド鎖(ポリエチレンオキシド鎖、ポリプロピレンオキシド鎖が好ましい)、ポリカーボネート鎖、ポリエステル鎖又はシリコーン鎖を含有する数平均分子量300以上200,000以下の連結基である。数平均分子量は、500以上が好ましく、700以上がより好ましく、1,000以上が更に好ましい。上限としては、100,000以下が好ましく、10,000以下がより好ましい。
R23は、末端にアルキル基(炭素数は、1~12が好ましく、1~6がより好ましい)を有することが好ましい。また、アルキル基中に、エーテル基(-O-)、チオエーテル基(-S-)、カルボニル基(>C=O)、イミノ基(>NRN)を有していてもよい。RNは上述の通りである。また、R23は上述のヘテロ原子含有基又は炭素-炭素不飽和基を有していてもよい。
R23は、末端にアルキル基(炭素数は、1~12が好ましく、1~6がより好ましい)を有することが好ましい。また、アルキル基中に、エーテル基(-O-)、チオエーテル基(-S-)、カルボニル基(>C=O)、イミノ基(>NRN)を有していてもよい。RNは上述の通りである。また、R23は上述のヘテロ原子含有基又は炭素-炭素不飽和基を有していてもよい。
なお、R22及びR23の数平均分子量は、ポリマーに組み込む前のモノマーについてGPCにおけるポリスチレン換算の数平均分子量として求めることができる。
(官能基非含有炭化水素ポリマーセグメント)
(B)バインダーは、官能基非含有炭化水素ポリマーセグメントを有することも好ましい。
官能基非含有炭化水素ポリマーセグメントとは、炭素原子及び水素原子から構成される炭化水素のオリゴマー又はポリマー(以下、炭化水素ポリマーとも称す。)からなるセグメントを意味し、厳密には、炭素原子及び水素原子から構成されるポリマーの少なくとも2つの原子(例えば、水素原子)又は基(例えば、メチル基)が脱離した構造を意味する。官能基非含有炭化水素ポリマーセグメントにおいて、ポリマー末端に有し得る、各セグメント等との結合のための末端反応性基は、炭化水素ポリマーセグメントには含まれないものとする。官能基非含有炭化水素ポリマーセグメントは、その主鎖に対して、連結基を介して結合する下記官能基を有しないが、直接結合する官能基を有していてもよい。
(B)バインダーは、官能基非含有炭化水素ポリマーセグメントを有することも好ましい。
官能基非含有炭化水素ポリマーセグメントとは、炭素原子及び水素原子から構成される炭化水素のオリゴマー又はポリマー(以下、炭化水素ポリマーとも称す。)からなるセグメントを意味し、厳密には、炭素原子及び水素原子から構成されるポリマーの少なくとも2つの原子(例えば、水素原子)又は基(例えば、メチル基)が脱離した構造を意味する。官能基非含有炭化水素ポリマーセグメントにおいて、ポリマー末端に有し得る、各セグメント等との結合のための末端反応性基は、炭化水素ポリマーセグメントには含まれないものとする。官能基非含有炭化水素ポリマーセグメントは、その主鎖に対して、連結基を介して結合する下記官能基を有しないが、直接結合する官能基を有していてもよい。
上記官能基非含有炭化水素ポリマーは、少なくとも2個以上の繰り返し単位が連なった構造を有するポリマーである。また、官能基非含有炭化水素ポリマーは、少なくとも50個以上の炭素原子から構成されることが好ましい。
この官能基非含有炭化水素ポリマーセグメントは、その(数平均)分子量等によっては、ハードセグメントにもソフトセグメントにも包含されるものであるが、本発明においては、オリゴマー又はポリマーからなるセグメントである点で、上記の各セグメントと区別される。
官能基非含有炭化水素ポリマーセグメントの数平均分子量は、(B)バインダーの粒子分散性を向上させ、微細な粒子を得る点から、1,000以上1,000,000未満が好ましく、1,000以上100,000未満がより好ましく、1,000以上10,000未満が更に好ましい。
官能基非含有炭化水素ポリマーセグメントの数平均分子量は、(B)バインダーの粒子分散性を向上させ、微細な粒子を得る点から、1,000以上1,000,000未満が好ましく、1,000以上100,000未満がより好ましく、1,000以上10,000未満が更に好ましい。
官能基非含有炭化水素ポリマーとしては、炭素-炭素不飽和結合を有していてもよく、脂肪族環及び/又は芳香族環の環構造を有していてもよい。すなわち、官能基非含有炭化水素ポリマーは、脂肪族炭化水素及び芳香族炭化水素から選択される炭化水素で構成される炭化水素ポリマーであればよい。柔軟性を有し、かつポリマー粒子として存在する場合の立体反発の効果を示す点からは、脂肪族炭化水素で構成される炭化水素ポリマーが好ましい。この官能基非含有炭化水素ポリマーは、その主鎖中に環構造を有しないことが好ましく、直鎖又は分岐鎖の脂肪族炭化水素のオリゴマー又はポリマーであるものがより好ましい。
上記官能基非含有炭化水素ポリマーは、エラストマーであることが好ましく、具体的には、主鎖に二重結合を有するジエン系エラストマー、及び、主鎖に二重結合を有しない非ジエン系エラストマーが挙げられる。ジエン系エラストマーとしては、例えば、スチレン-ブタジエンゴム(SBR)、スチレン-エチレン-ブタジエンゴム(SEBR)、ブチルゴム(IIR)、ブタジエンゴム(BR)、イソプレンゴム(IR)及びエチレン-プロピレン-ジエンゴム等が挙げられる。非ジエン系エラストマーとしては、エチレン-プロピレンゴム及びスチレン-エチレン-ブチレンゴム等のオレフィン系エラストマー、並びに、上記ジエン系エラストマーの水素還元エラストマーが挙げられる。
上記官能基非含有炭化水素ポリマーは、エラストマーであることが好ましく、具体的には、主鎖に二重結合を有するジエン系エラストマー、及び、主鎖に二重結合を有しない非ジエン系エラストマーが挙げられる。ジエン系エラストマーとしては、例えば、スチレン-ブタジエンゴム(SBR)、スチレン-エチレン-ブタジエンゴム(SEBR)、ブチルゴム(IIR)、ブタジエンゴム(BR)、イソプレンゴム(IR)及びエチレン-プロピレン-ジエンゴム等が挙げられる。非ジエン系エラストマーとしては、エチレン-プロピレンゴム及びスチレン-エチレン-ブチレンゴム等のオレフィン系エラストマー、並びに、上記ジエン系エラストマーの水素還元エラストマーが挙げられる。
(B)バインダーを合成する点から、官能基非含有炭化水素ポリマーは、ポリマー末端に別のセグメント等との結合のための末端反応性基を有することが好ましく、縮重合可能な末端反応性基を有することがより好ましい。縮重合又は重付加可能な末端反応性基としては、ヒドロキシ基、カルボキシ基、アミノ基、スルファニル基及び酸無水物等が挙げられ、中でもヒドロキシ基が好ましい。
ポリマー末端に縮重合可能な末端反応性基を有する官能基非含有炭化水素ポリマーとしては、例えば、いずれも商品名で、NISSO-PBシリーズ(日本曹達(株)製)、クレイソールシリーズ(巴工業(株)製)、PolyVEST-HTシリーズ(エボニック(株)製)、poly-bdシリーズ(出光興産(株)製)、poly-ipシリーズ(出光興産(株)製)、EPOL(出光興産(株)製)及びポリテールシリーズ(三菱化学(株)製)が好適に用いられる。
ポリマー末端に縮重合可能な末端反応性基を有する官能基非含有炭化水素ポリマーとしては、例えば、いずれも商品名で、NISSO-PBシリーズ(日本曹達(株)製)、クレイソールシリーズ(巴工業(株)製)、PolyVEST-HTシリーズ(エボニック(株)製)、poly-bdシリーズ(出光興産(株)製)、poly-ipシリーズ(出光興産(株)製)、EPOL(出光興産(株)製)及びポリテールシリーズ(三菱化学(株)製)が好適に用いられる。
(官能基含有炭化水素ポリマーセグメント)
官能基含有炭化水素ポリマーセグメントは、下記官能基群から選ばれる少なくとも1種を有するセグメントである。すなわち、官能基含有炭化水素ポリマーセグメントは、官能基非含有炭化水素ポリマーセグメントの主鎖に対して連結基を介して結合した官能基を少なくとも1種有している。このセグメントが有する官能基は、下記官能基群から選ばれる官能基、又は、下記官能基群から選ばれる官能基を2種以上組み合わせた官能基である。
<官能基群>
カルボン酸基(-COOH)、スルホン酸基(スルホ基:-SO3H)、リン酸基(ホスホ基:-OPO(OH)2等)、ヒドロキシ基、アミノ基、シアノ基、アルコキシシリル基、芳香族炭化水素環基、芳香族複素環基、3環以上が縮環した脂肪族炭化水素環基
官能基含有炭化水素ポリマーセグメントは、下記官能基群から選ばれる少なくとも1種を有するセグメントである。すなわち、官能基含有炭化水素ポリマーセグメントは、官能基非含有炭化水素ポリマーセグメントの主鎖に対して連結基を介して結合した官能基を少なくとも1種有している。このセグメントが有する官能基は、下記官能基群から選ばれる官能基、又は、下記官能基群から選ばれる官能基を2種以上組み合わせた官能基である。
<官能基群>
カルボン酸基(-COOH)、スルホン酸基(スルホ基:-SO3H)、リン酸基(ホスホ基:-OPO(OH)2等)、ヒドロキシ基、アミノ基、シアノ基、アルコキシシリル基、芳香族炭化水素環基、芳香族複素環基、3環以上が縮環した脂肪族炭化水素環基
官能基含有炭化水素ポリマーセグメントにおける官能基非含有炭化水素ポリマーセグメントは、上述した通りであり、一般的にTgが0℃以下であり、数平均分子量が1000以上であるものが好ましい。このような柔軟な、官能基非含有炭化水素ポリマーセグメントからなる主鎖に上記官能基を有することにより、官能基の分子運動性が高まって無機粒子の表面とバインダーとの吸着確率が向上し、高い結着性が発現する。
上記連結基としては、原子若しくは有機基、又は、これらの組み合わせた基であれば特に限定されず、これにより後述する官能基が主鎖を形成する原子に直接結合することはない。
原子としては、炭素原子、又は、ヘテロ原子(酸素原子、硫黄原子若しくは窒素原子)等が挙げられる。有機基としては、官能基非含有炭化水素ポリマーを形成する構成成分に由来する基、又は、官能基を導入するための化合物に由来する基等が挙げられる。中でも、ヘテロ原子、官能基非含有炭化水素ポリマーを形成する構成成分に由来する基、又は、官能基を導入するための化合物に由来する基が好ましく、硫黄原子又は脂肪族炭化水素基(好ましくはアルキレン基又はアルカントリイル基(いずれも炭素数2~4が好ましい。))がより好ましい。官能基を導入するための化合物に由来する基としては、特に限定されず、後述する、官能基を導入するための化合物により決定される。
原子及び有機基を組み合わせた基としては、特に限定されず、上記原子及び有機基から選択された少なくとも2種を組み合わせてなる基が挙げられる。組み合わされる基等の数は、例えば、4個以下である。上記組み合わせてなる連結基としては、具体的には、*-ヘテロ原子-脂肪族炭化水素基-、*-脂肪族炭化水素基-ヘテロ原子-、*-脂肪族炭化水素基-ヘテロ原子-脂肪族炭化水素基-、又は、後述する式(1)中のL11等が挙げられる。また、これらの組み合わせてなる基において、脂肪族炭化水素基の少なくとも1つを、官能基非含有炭化水素ポリマーを形成する構成成分に由来する基、又は、官能基を導入するための化合物に由来する基に置き換えた基も挙げられる。中でも、*-脂肪族炭化水素基-ヘテロ原子-脂肪族炭化水素基-が好ましい。ここで、*は、官能基含有炭化水素ポリマーセグメントの主鎖を形成する原子との結合部を示す。
原子としては、炭素原子、又は、ヘテロ原子(酸素原子、硫黄原子若しくは窒素原子)等が挙げられる。有機基としては、官能基非含有炭化水素ポリマーを形成する構成成分に由来する基、又は、官能基を導入するための化合物に由来する基等が挙げられる。中でも、ヘテロ原子、官能基非含有炭化水素ポリマーを形成する構成成分に由来する基、又は、官能基を導入するための化合物に由来する基が好ましく、硫黄原子又は脂肪族炭化水素基(好ましくはアルキレン基又はアルカントリイル基(いずれも炭素数2~4が好ましい。))がより好ましい。官能基を導入するための化合物に由来する基としては、特に限定されず、後述する、官能基を導入するための化合物により決定される。
原子及び有機基を組み合わせた基としては、特に限定されず、上記原子及び有機基から選択された少なくとも2種を組み合わせてなる基が挙げられる。組み合わされる基等の数は、例えば、4個以下である。上記組み合わせてなる連結基としては、具体的には、*-ヘテロ原子-脂肪族炭化水素基-、*-脂肪族炭化水素基-ヘテロ原子-、*-脂肪族炭化水素基-ヘテロ原子-脂肪族炭化水素基-、又は、後述する式(1)中のL11等が挙げられる。また、これらの組み合わせてなる基において、脂肪族炭化水素基の少なくとも1つを、官能基非含有炭化水素ポリマーを形成する構成成分に由来する基、又は、官能基を導入するための化合物に由来する基に置き換えた基も挙げられる。中でも、*-脂肪族炭化水素基-ヘテロ原子-脂肪族炭化水素基-が好ましい。ここで、*は、官能基含有炭化水素ポリマーセグメントの主鎖を形成する原子との結合部を示す。
官能基含有炭化水素ポリマーが有する官能基(無機粒子表面への吸着性官能基)は、固体電解質組成物中の無機固体電解質、所望により共存する活物質又は導電助剤の表面と化学的又は物理的な相互作用をする。この相互作用は、特に限定されないが、例えば、水素結合によるもの、酸-塩基によるイオン結合によるもの、共有結合によるもの、芳香環によるπ-π相互作用によるもの、又は、疎水-疎水相互作用によるもの等が挙げられる。官能基が相互作用する場合、上述のように、官能基の化学構造は変化しても変化しなくてもよい。例えば、上記π-π相互作用等においては、通常、官能基は変化せず、そのままの構造を維持する。一方、共有結合等による相互作用においては、通常、カルボン酸基等の活性水素が離脱したアニオンとなって(官能基が変化して)固体電解質と結合する。この相互作用により、固体電解質組成物の調製時又は調製中に、(B)バインダーが上述の無機固体電解質等の粒子と吸着することに、寄与する。これらの官能基がバインダー(B)中の、ガラス転移温度の低い官能基含有炭化水素ポリマーセグメントに結合していることで、官能基の分子運動性が高まり、粒子界面との接触頻度が向上し、形成される相互作用も強大なものとなると考えられる。上記官能基は集電体の表面とも相互作用する。
カルボン酸基、スルホン酸基及びリン酸基は、それぞれ、その塩でもよく、エステルでもよい。塩としては、例えば、ナトリウム塩、カルシウム塩等が挙げられる。エステルとしてはアルキルエステル、アリールエステル等が挙げられる。エステルの場合、炭素数1~24が好ましく、1~12がより好ましく、1~6が特に好ましい。
ヒドロキシ基及びアミノ基等のように塩を形成可能なものは塩であってもよい。
アミノ基は、特に限定されず、例えば、炭素数0~20のアミノ基が挙げられる。アミノ基は、アルキルアミノ基及びアリールアミノ基を含む。アミノ基の炭素数は、0~12が好ましく、0~6がより好ましく、0~2が更に好ましい。アミノ基としては、例えば、アミノ、N,N-ジメチルアミノ、N,N-ジエチルアミノ、N-エチルアミノ、アニリノ等が挙げられる。
アルコキシシリル基としては、特に限定されず、好ましくは炭素数1~20のアルコキシシリル基、例えば、モノメトキシシリル、ジメトキシシリル、トリメトキシシリル、トリエトキシシリル等が挙げられる。
芳香族炭化水素環基は、単環でも縮合環でもよい。炭素数は、6~26が好ましく、6~20がより好ましい。具体的には、ベンゼン環、ナフタレン環、アントラセン、フェナントラセン、ピレン、テトラセン、テトラフェン、クリセン、トリフェニレン、ペンタセン、ペンタフェン、ペリレン、ピレン、ベンゾ[a]ピレン、コロネン、アンタントレン、コランヌレン、オバレン、グラフェン、シクロパラフェニレン、ポリパラフェニレン又はシクロフェンからなる環基が挙げられる。
芳香族複素環基としては、特に限定されず、環構成原子として酸素原子、硫黄原子及び窒素原子から選択される少なくとも1つを有する5又は6員環の芳香族複素環基が挙げられる。炭素数は、2~20が好ましい。
ヒドロキシ基及びアミノ基等のように塩を形成可能なものは塩であってもよい。
アミノ基は、特に限定されず、例えば、炭素数0~20のアミノ基が挙げられる。アミノ基は、アルキルアミノ基及びアリールアミノ基を含む。アミノ基の炭素数は、0~12が好ましく、0~6がより好ましく、0~2が更に好ましい。アミノ基としては、例えば、アミノ、N,N-ジメチルアミノ、N,N-ジエチルアミノ、N-エチルアミノ、アニリノ等が挙げられる。
アルコキシシリル基としては、特に限定されず、好ましくは炭素数1~20のアルコキシシリル基、例えば、モノメトキシシリル、ジメトキシシリル、トリメトキシシリル、トリエトキシシリル等が挙げられる。
芳香族炭化水素環基は、単環でも縮合環でもよい。炭素数は、6~26が好ましく、6~20がより好ましい。具体的には、ベンゼン環、ナフタレン環、アントラセン、フェナントラセン、ピレン、テトラセン、テトラフェン、クリセン、トリフェニレン、ペンタセン、ペンタフェン、ペリレン、ピレン、ベンゾ[a]ピレン、コロネン、アンタントレン、コランヌレン、オバレン、グラフェン、シクロパラフェニレン、ポリパラフェニレン又はシクロフェンからなる環基が挙げられる。
芳香族複素環基としては、特に限定されず、環構成原子として酸素原子、硫黄原子及び窒素原子から選択される少なくとも1つを有する5又は6員環の芳香族複素環基が挙げられる。炭素数は、2~20が好ましい。
3環以上が縮環した脂肪族炭化水素環基は、脂肪族炭化水素環が3環以上縮環した環基であれば特に限定されない。縮環する脂肪族炭化水素環としては、飽和脂肪族炭化水素環又は不飽和脂肪族炭化水素環が挙げられる。脂肪族炭化水素環は5員環又は6員環が好ましい。
3環以上が縮環した脂肪族炭化水素環基において、縮環する環数は、特に限定されないが、3~5環が好ましく、3環又は4環がより好ましい。
飽和脂肪族炭化水素環若しくは不飽和脂肪族炭化水素環が3環以上縮環した環基としては、特に限定されないが、例えば、ステロイド骨格を有する化合物からなる環基が挙げられる。ステロイド骨格を有する化合物としては、例えば、コレステロール、エルゴステロール、テストステロン、エストラジオール、エルドステロール、アルドステロン、ヒドロコルチゾン、スチグマステロール、チモステロール、ラノステロール、7-デヒドロデスモステロール、7-デヒドロコレステロール、コラン酸、コール酸、リトコール酸、デオキシコール酸、デオキシコール酸ナトリウム、デオキシコール酸リチウム、ヒオデオキシコール酸、ケノデオキシコール酸、ウルソデオキシコール酸、デヒドロコール酸、ホケコール酸又はヒオコール酸の化合物からなる環基が挙げられる。
3環以上が縮環した脂肪族炭化水素環基としては、上記の中でも、コレステロール環構造を有する化合物からなる環基がより好ましい。
飽和脂肪族炭化水素環若しくは不飽和脂肪族炭化水素環が3環以上縮環した環基としては、特に限定されないが、例えば、ステロイド骨格を有する化合物からなる環基が挙げられる。ステロイド骨格を有する化合物としては、例えば、コレステロール、エルゴステロール、テストステロン、エストラジオール、エルドステロール、アルドステロン、ヒドロコルチゾン、スチグマステロール、チモステロール、ラノステロール、7-デヒドロデスモステロール、7-デヒドロコレステロール、コラン酸、コール酸、リトコール酸、デオキシコール酸、デオキシコール酸ナトリウム、デオキシコール酸リチウム、ヒオデオキシコール酸、ケノデオキシコール酸、ウルソデオキシコール酸、デヒドロコール酸、ホケコール酸又はヒオコール酸の化合物からなる環基が挙げられる。
3環以上が縮環した脂肪族炭化水素環基としては、上記の中でも、コレステロール環構造を有する化合物からなる環基がより好ましい。
官能基群から選ばれる官能基としては、上記の中から適宜に選択されるが、活物質との結着性の点で、固体電解質組成物が無機固体電解質又は正極活物質を含有する場合、カルボン酸基、スルホン酸基、リン酸基、ヒドロキシ基、シアノ基、アミノ基又はアルコキシシリル基が好ましく、カルボン酸基がより好ましい。一方、固体電解質組成物が負極活物質又は導電助剤を含有する場合、芳香族炭化水素環基、芳香族複素環基又は3環以上が縮環した脂肪族炭化水素環基が好ましく、3環以上が縮環した脂肪族炭化水素環基がより好ましい。
上記官能基としては、活物質にかかわらず高い結着性を示す点で、カルボン酸基、スルホン酸基、リン酸基、芳香族炭化水素環基が好ましく、カルボン酸基がより好ましい。
上記官能基としては、活物質にかかわらず高い結着性を示す点で、カルボン酸基、スルホン酸基、リン酸基、芳香族炭化水素環基が好ましく、カルボン酸基がより好ましい。
上記2種以上組み合わせた官能基としては、上記官能基群から適宜に選択された2種以上の官能基を組み合わせてなる基であれば特に限定されない。組み合わせてなる基としては、上記官能基のうち2価以上の官能基になりうる官能基と、1価しか採りえない官能基とを組み合わせてなる基が挙げられる。2価以上の官能基になりうる官能基としては、アミノ基、芳香族炭化水素環基、芳香族複素環基及び3環以上が縮環した脂肪族炭化水素環基が挙げられ、1価しか採りえない官能基としては、例えば、カルボン酸基、スルホン酸基、リン酸基、ヒドロキシ基、シアノ基及びアルコキシシリル基が挙げられる。
組み合わせてなる基としては、無機粒子との密着性の点で、芳香族炭化水素環基、芳香族複素環基及び3環以上が縮環した脂肪族炭化水素環基から選択された1種の官能基と、カルボン酸基、スルホン酸基、リン酸基、ヒドロキシ基、アミノ基、シアノ基及びアルコキシシリル基から選択された1種の官能基とを組み合わせてなる基が好ましい。より好ましくは、芳香族炭化水素環基及び3環以上が縮環した脂肪族炭化水素環基から選択された1種の官能基と、カルボン酸基、スルホン酸基、リン酸基、ヒドロキシ基、アミノ基、シアノ基及びアルコキシシリル基から選択された1種の官能基とを組み合わせてなる基であり、更に好ましくは、芳香族炭化水素環基と、カルボン酸基と組み合わせてなる基であり、特に好ましくは、ベンゼン環とカルボン酸基とを組み合わせてなる基である。
組み合わせてなる基としては、無機粒子との密着性の点で、芳香族炭化水素環基、芳香族複素環基及び3環以上が縮環した脂肪族炭化水素環基から選択された1種の官能基と、カルボン酸基、スルホン酸基、リン酸基、ヒドロキシ基、アミノ基、シアノ基及びアルコキシシリル基から選択された1種の官能基とを組み合わせてなる基が好ましい。より好ましくは、芳香族炭化水素環基及び3環以上が縮環した脂肪族炭化水素環基から選択された1種の官能基と、カルボン酸基、スルホン酸基、リン酸基、ヒドロキシ基、アミノ基、シアノ基及びアルコキシシリル基から選択された1種の官能基とを組み合わせてなる基であり、更に好ましくは、芳香族炭化水素環基と、カルボン酸基と組み合わせてなる基であり、特に好ましくは、ベンゼン環とカルボン酸基とを組み合わせてなる基である。
組み合わせてなる基において、官能基含有炭化水素ポリマーの主鎖に対して端部側には、上述の官能基の中でも、カルボン酸基、スルホン酸基、リン酸基、ヒドロキシ基、アミノ基、シアノ基又はアルコキシシリル基を有することが好ましい。すなわち、芳香族炭化水素環基、芳香族複素環基又は3環以上が縮環した脂肪族炭化水素環基が官能基含有炭化水素ポリマーの主鎖側となるように、官能基含有炭化水素ポリマーに結合していることが好ましい。
組み合わせてなる基において、主鎖側の官能基は2価以上の基となる。したがって、上記官能基群において1価の基として挙げた官能基であっても、組み合わせてなる基においては2価以上の官能基を採るものとする。この場合、少なくとも1つの水素原子等を除去した基が挙げられる。例えば、ベンゼン環はフェニレン基にもベンゼントリイル基にもなりうるし、アミノ基は2価のイミノ基又は3価の窒素原子にもなりうる。
組み合わせてなる基において、主鎖側の官能基は2価以上の基となる。したがって、上記官能基群において1価の基として挙げた官能基であっても、組み合わせてなる基においては2価以上の官能基を採るものとする。この場合、少なくとも1つの水素原子等を除去した基が挙げられる。例えば、ベンゼン環はフェニレン基にもベンゼントリイル基にもなりうるし、アミノ基は2価のイミノ基又は3価の窒素原子にもなりうる。
組み合わされる官能基数は、特に限定されないが、2~5個が好ましく、2~4個がより好ましく、2個又は3個が更に好ましい。
官能基含有炭化水素ポリマーが2以上の官能基を有する場合、上記群から選択される2種以上の官能基をそれぞれ単独で有する態様と、上記群から選択された官能基を2種以上組み合わせた官能基を有する態様とを含む。
官能基含有炭化水素ポリマーが有する官能基は、少なくとも1種であればよいが、好ましくは1~3種であり、より好ましくは1種又は2種であり、更に好ましくは1種である。ここでいう「種」には、組み合わせてなる官能基を1種とみなす。
また、官能基含有炭化水素ポリマーの主鎖を形成する特定の原子に、上述の連結基等を介して結合する官能基の数は、特に限定されず、同種であっても異種であってもよく、1個以上が好ましく、1~4個がより好ましく、1個又は2個が更に好ましい。
更に、官能基含有炭化水素ポリマーのセグメントあたりの官能基の数は、特に限定されず、1個以上が好ましく、1~200個がより好ましく、2~100個がより好ましく、5~50個が更に好ましく、5~30個が特に好ましく、1個又は2個が最も好ましい。また、官能基は同種であっても異なっていてもよい。
上記「官能基の数」を計数する場合、組み合わせてなる官能基は全体として1個とする。
また、官能基含有炭化水素ポリマーの主鎖を形成する特定の原子に、上述の連結基等を介して結合する官能基の数は、特に限定されず、同種であっても異種であってもよく、1個以上が好ましく、1~4個がより好ましく、1個又は2個が更に好ましい。
更に、官能基含有炭化水素ポリマーのセグメントあたりの官能基の数は、特に限定されず、1個以上が好ましく、1~200個がより好ましく、2~100個がより好ましく、5~50個が更に好ましく、5~30個が特に好ましく、1個又は2個が最も好ましい。また、官能基は同種であっても異なっていてもよい。
上記「官能基の数」を計数する場合、組み合わせてなる官能基は全体として1個とする。
官能基含有炭化水素ポリマーが有する官能基は、置換基を有していてもよい。
官能基含有炭化水素ポリマーセグメントは、下記式(1)で表される繰り返し単位及び下記式(2)で表される繰り返し単位から選ばれる少なくとも1種の繰り返し単位を有することが、好ましい。このセグメントが下記繰り返し単位を有することにより、バインダー(B)が、上述の官能基を上述のように結合する官能基含有炭化水素ポリマーセグメントを有するものとなる。
官能基含有炭化水素ポリマーが有する繰り返し単位は、式(1)で表される繰り返し単位の少なくとも1種、式(2)で表される繰り返し単位の少なくとも1種、又は、式(1)で表される繰り返し単位の少なくとも1種と式(2)で表される繰り返し単位の少なくとも1種との組み合わせのいずれであってもよい。
本発明においては、下記式(2)で表される繰り返し単位を含むことがより好ましい。
官能基含有炭化水素ポリマーが有する繰り返し単位は、式(1)で表される繰り返し単位の少なくとも1種、式(2)で表される繰り返し単位の少なくとも1種、又は、式(1)で表される繰り返し単位の少なくとも1種と式(2)で表される繰り返し単位の少なくとも1種との組み合わせのいずれであってもよい。
本発明においては、下記式(2)で表される繰り返し単位を含むことがより好ましい。
官能基含有炭化水素ポリマーの主鎖が有する上記繰り返し単位の種類数は、少なくとも1種以上であれば特に限定されず、好ましくは1~4種であり、より好ましくは1~3種であり、更に好ましくは1種又は2種である。
官能基含有炭化水素ポリマーセグメントは、互いに異なる繰り返し単位を有していてもよい。
官能基含有炭化水素ポリマーセグメントは、互いに異なる繰り返し単位を有していてもよい。
式(1)中、R11~R17は各々独立に水素原子、アルキル基又はアリール基を示す。
R11~R17として採りうるアルキル基は、直鎖アルキル基、分岐アルキル基又は環状アルキル基のいずれでもよく、直鎖アルキル基又は分岐アルキル基が好ましく、直鎖アルキル基がより好ましい。アルキル基の炭素数は、特に限定されず、例えば、1~20であることが好ましく、1~12であることがより好ましく、1~6であることが更に好ましい。
R11~R17として採りうるアリール基は、特に限定されず、単環のアリール基であっても縮合環のアリール基であってもよく、また炭化水素環からなるアリール基であってもヘテロ環からなるアリール基であってもよい。好ましくは、単環の炭化水素環からなるアリール基、すなわちフェニル基である。アリール基の炭素数は、特に限定されないが、6~26が好ましく、6~18がより好ましく、6~10が更に好ましい。
R11~R17としては、水素原子又はアルキル基が好ましく、水素原子又はメチルがより好ましく、水素原子が更に好ましい。
R11~R17として採りうるアルキル基は、直鎖アルキル基、分岐アルキル基又は環状アルキル基のいずれでもよく、直鎖アルキル基又は分岐アルキル基が好ましく、直鎖アルキル基がより好ましい。アルキル基の炭素数は、特に限定されず、例えば、1~20であることが好ましく、1~12であることがより好ましく、1~6であることが更に好ましい。
R11~R17として採りうるアリール基は、特に限定されず、単環のアリール基であっても縮合環のアリール基であってもよく、また炭化水素環からなるアリール基であってもヘテロ環からなるアリール基であってもよい。好ましくは、単環の炭化水素環からなるアリール基、すなわちフェニル基である。アリール基の炭素数は、特に限定されないが、6~26が好ましく、6~18がより好ましく、6~10が更に好ましい。
R11~R17としては、水素原子又はアルキル基が好ましく、水素原子又はメチルがより好ましく、水素原子が更に好ましい。
式(1)中、L11は置換基を有していてもよい2価の有機基を示す。
2価の有機基としては、特に限定されないが、例えば、官能基を導入するための化合物に由来する基が挙げられる。この有機基は、上記官能基群に含まれる、芳香族炭化水素環基、芳香族複素環基、及び、3環以上が縮環した脂肪族炭化水素環基以外の基であるものがよい。
2価の有機基としては、例えば、アルキレン基(炭素数は1~20が好ましく、1~18がより好ましく、1~10が更に好ましい。)、アリーレン基(炭素数は、6~22が好ましく、6~14がより好ましく、6~10が更に好ましい。)、-O-、-S-、-N(R2)-若しくは-C(=O)-、又は、これらを組み合わせた基である。更に好ましくは、基又は原子としては、上記アルキレン基、-O-若しくは-S-であり、組み合わせた基としては、後述する式(3)で表される部分構造のうち「A2」を除去した基、若しくは、式(4)で表される部分構造のうちL24に連結する「A2」を除去した基である。
2価の有機基としては、特に限定されないが、例えば、官能基を導入するための化合物に由来する基が挙げられる。この有機基は、上記官能基群に含まれる、芳香族炭化水素環基、芳香族複素環基、及び、3環以上が縮環した脂肪族炭化水素環基以外の基であるものがよい。
2価の有機基としては、例えば、アルキレン基(炭素数は1~20が好ましく、1~18がより好ましく、1~10が更に好ましい。)、アリーレン基(炭素数は、6~22が好ましく、6~14がより好ましく、6~10が更に好ましい。)、-O-、-S-、-N(R2)-若しくは-C(=O)-、又は、これらを組み合わせた基である。更に好ましくは、基又は原子としては、上記アルキレン基、-O-若しくは-S-であり、組み合わせた基としては、後述する式(3)で表される部分構造のうち「A2」を除去した基、若しくは、式(4)で表される部分構造のうちL24に連結する「A2」を除去した基である。
2価の有機基を形成する上記アルキレン基は、直鎖アルキレン基及び分岐鎖アルキレン基に加えて環状アルキレン基を包含する。ただし、環状アルキレン基の場合、炭素数の下限値は3以上が好ましい。また、環状アルキレン基は、環内に不飽和結合を有していてもよい。
上記R2は、水素原子、アルキル基(炭素数は1~8が好ましい。)又はアリール基(炭素数は6~12が好ましい。)を示す。
上記R2は、水素原子、アルキル基(炭素数は1~8が好ましい。)又はアリール基(炭素数は6~12が好ましい。)を示す。
L11として採りうる上記組み合わせた基において、組み合わされる上記基等の数は、2個以上であれば特に限定されないが、好ましくは2~5個であり、より好ましくは2個又は3個である。
L11が有していてもよい置換基は、特に限定されない。
式(1)中、Aは官能基を示す。この官能基Aは、上述の、官能基群から選ばれる官能基、又は、下記官能基群から選ばれる官能基を2種以上組み合わせた官能基と同義であり、好ましいものも同じである。
式(2)中、R21~R27は各々独立に水素原子、アルキル基又はアリール基を示す。
R21~R27として採りうるアルキル基及びアリール基は、それぞれ、R11~R17として採りうるアルキル基及びアリール基と同義であり、好ましいものも同じである。
R21~R27として採りうるアルキル基及びアリール基は、それぞれ、R11~R17として採りうるアルキル基及びアリール基と同義であり、好ましいものも同じである。
式(2)中、L12は単結合又は置換基を有していてもよい2価の有機基を示し、2価の有機基が好ましい。L12として採りうる2価の有機基は、L11として採りうる2価の有機基と同義であり、好ましいものも同じである。
式(2)中、Aは官能基を示す。この官能基Aは、式(1)の官能基Aと同義であり、好ましいものも同じである。
式(1)及び式(2)中、R11~R27は、置換基を有していてもよい。
上記式(1)で表される繰り返し単位及び下記式(2)で表される繰り返し単位において、式(1)中の部分構造-L11-A、又は、式(2)中の部分構造-L12-Aは、下記式(3)又は式(4)で示される部分構造であることが好ましい。各式中の*は、上記式(1)中のC原子又は上記式(2)中のC原子との結合部を示す。
式(3)中、Xは-O-、-S-又は-N(R3)-を示し、-O-又は-S-が好ましい。R3は水素原子、アルキル基(炭素数は1~8が好ましい。)又はアリール基(炭素数は6~12が好ましい。)を示す。
式(3)中、A2はカルボン酸基を示す。
式(3)中、A2はカルボン酸基を示す。
式(3)中、L21は単結合又は炭素数1~20のアルキレン基を示し、アルキレン基が好ましい。L21として採りうるアルキレン基は、L11として採りうるアルキレン基と同義であり、好ましいものも同じであるが、炭素数の特に好ましい範囲は2~6であり、最も好ましい範囲は2~4である。
式(4)中、A2はカルボン酸基を示す。
式(4)中、Xは-O-、-S-又は-N(R3)-を示し、式(3)中のXと同義であり、好ましいものも同じである。
式(4)中、L22は単結合、炭素数1~20のアルキレン基又は炭素数6~20のアリーレン基を示す。L22はアルキレン基が好ましい。L22として採りうるアルキレン基は、L21として採りうるアルキレン基と同義であり、好ましいものも同じである。L22として採りうるアリーレン基は、L11として採りうるアリーレン基と同義であり、好ましいものも同じである。
式(4)中、Xは-O-、-S-又は-N(R3)-を示し、式(3)中のXと同義であり、好ましいものも同じである。
式(4)中、L22は単結合、炭素数1~20のアルキレン基又は炭素数6~20のアリーレン基を示す。L22はアルキレン基が好ましい。L22として採りうるアルキレン基は、L21として採りうるアルキレン基と同義であり、好ましいものも同じである。L22として採りうるアリーレン基は、L11として採りうるアリーレン基と同義であり、好ましいものも同じである。
式(4)中、Y2は炭化水素からなる3価の基を示す。
Y2として採りうる3価の有機基としては、炭化水素から3つの水素原子を除去した基(炭化水素から3つの水素原子を結合手「-」に置き換えた基)であれば、特に限定されない。炭化水素としては、特に限定されず、脂肪族炭化水素又は芳香族炭化水素が挙げられる。本発明において、脂肪族炭化水素は、飽和であっても不飽和であってもよく、また鎖式であっても環式であってもよい。例えば、アルカン、オレフィン(アルケン、アルキン)、シクロアルカン、シクロオレフィン等が挙げられる。オレフィンは、通常、1つの不飽和基を含むが、本発明においては、不飽和基を2つ以上含むもの(ただし、芳香族性を示すものを除く。)を含む。
炭化水素としては、アルカン又はオレフィンが好ましく、アルカンが好ましい。
炭化水素は、L23及びL24が単結合である場合、脂肪族炭化水素であることが好ましい。
脂肪族炭化水素の炭素数は特に限定されないが、脂肪族炭化水素が鎖式である場合、1~20が好ましく、1~18がより好ましく、1~10が更に好ましく、2~6が特に好ましく、2~4が最も好ましい。脂肪族炭化水素が環式である場合、3~20が好ましく、3~18がより好ましく、3~10が更に好ましく、3~6が特に好ましい。
Y2として採りうる3価の有機基としては、炭化水素から3つの水素原子を除去した基(炭化水素から3つの水素原子を結合手「-」に置き換えた基)であれば、特に限定されない。炭化水素としては、特に限定されず、脂肪族炭化水素又は芳香族炭化水素が挙げられる。本発明において、脂肪族炭化水素は、飽和であっても不飽和であってもよく、また鎖式であっても環式であってもよい。例えば、アルカン、オレフィン(アルケン、アルキン)、シクロアルカン、シクロオレフィン等が挙げられる。オレフィンは、通常、1つの不飽和基を含むが、本発明においては、不飽和基を2つ以上含むもの(ただし、芳香族性を示すものを除く。)を含む。
炭化水素としては、アルカン又はオレフィンが好ましく、アルカンが好ましい。
炭化水素は、L23及びL24が単結合である場合、脂肪族炭化水素であることが好ましい。
脂肪族炭化水素の炭素数は特に限定されないが、脂肪族炭化水素が鎖式である場合、1~20が好ましく、1~18がより好ましく、1~10が更に好ましく、2~6が特に好ましく、2~4が最も好ましい。脂肪族炭化水素が環式である場合、3~20が好ましく、3~18がより好ましく、3~10が更に好ましく、3~6が特に好ましい。
式(4)中、L23及びL24は各々独立に単結合又は炭素数1~20のアルキレン基を示し、単結合が好ましい。L23及びL24として採りうるアルキレン基は、L21として採りうるアルキレン基と同義であり、好ましい範囲も同じである。
式(4)中の部分構造-Y2-L23-及び-Y2-L24-において、Y2が脂肪族炭化水素を採る場合、この脂肪族炭化水素の炭素数が最大となるように、Y2(脂肪族炭化水素)を解釈する。例えば、後述する例示ポリマーセグメント(b-4)においては、Y2がエタントリイル基で、L23及びL24がともに単結合と解釈する。
式(4)中の部分構造-Y2-L23-及び-Y2-L24-において、Y2が脂肪族炭化水素を採る場合、この脂肪族炭化水素の炭素数が最大となるように、Y2(脂肪族炭化水素)を解釈する。例えば、後述する例示ポリマーセグメント(b-4)においては、Y2がエタントリイル基で、L23及びL24がともに単結合と解釈する。
官能基含有炭化水素ポリマーセグメントの数平均分子量は、500以上100000未満が好ましく、700以上50000未満がより好ましく、1000以上10000未満が更に好ましい。
式(3)及び式(4)中、X、Y2及びL21~L24は置換基を有していてもよい。
官能基含有炭化水素セグメントの具体例を、その前駆体(各セグメントの両末端に末端反応性基が結合したポリマー)として、以下に示す。本発明において、官能基含有炭化水素セグメントは、下記の具体例に限定されない。
下記具体例中の繰り返し単位に付した数字は、各繰り返し単位のモル%を示す。
具体例において、Meはメチルを表し、Etはエチルを表す。
下記具体例中の繰り返し単位に付した数字は、各繰り返し単位のモル%を示す。
具体例において、Meはメチルを表し、Etはエチルを表す。
(セグメントの含有量)
(B)バインダー中の、セグメントaの含有量は、特に限定されることなく適宜に設定できるが、下記ハードセグメントの含有量と同じ範囲であることが好ましい。
(B)バインダー中の、ハードセグメントの含有量は、ポリマーの全質量に対しては、5質量%以上が好ましく、10質量%以上がより好ましく、15質量%以上が更に好ましい。上限としては、60質量%以下が好ましく、50質量%以下がより好ましく、40質量%以下が更に好ましい。
(B)バインダー中の、ハードセグメントの含有量は、ポリマーの全モル数に対しては、50mol%以上が好ましく、60mol%以上がより好ましく、70mol%以上が更に好ましい。上限としては、99mol%以下が好ましく、90mol%以下がより好ましく、80mol%以下が更に好ましい。
(B)バインダー中の、セグメントaの含有量は、特に限定されることなく適宜に設定できるが、下記ハードセグメントの含有量と同じ範囲であることが好ましい。
(B)バインダー中の、ハードセグメントの含有量は、ポリマーの全質量に対しては、5質量%以上が好ましく、10質量%以上がより好ましく、15質量%以上が更に好ましい。上限としては、60質量%以下が好ましく、50質量%以下がより好ましく、40質量%以下が更に好ましい。
(B)バインダー中の、ハードセグメントの含有量は、ポリマーの全モル数に対しては、50mol%以上が好ましく、60mol%以上がより好ましく、70mol%以上が更に好ましい。上限としては、99mol%以下が好ましく、90mol%以下がより好ましく、80mol%以下が更に好ましい。
(B)バインダー中の、官能基含有炭化水素ポリマーセグメントの含有量は、ポリマーの全質量に対しては、5質量%以上が好ましく、10質量%以上がより好ましく、20質量%以上が更に好ましい。上限としては、80質量%以下が好ましく、70質量%以下がより好ましく、60質量%以下が更に好ましい。
(B)バインダー中の、官能基含有炭化水素ポリマーセグメントの含有量は、ポリマーの全モル数に対しては、0.05mol%以上が好ましく、0.1mol%以上がより好ましく、0.2mol%以上が更に好ましい。上限としては、50mol%以下が好ましく、20mol%以下がより好ましく、10mol%以下が更に好ましい。
(B)バインダー中の、官能基含有炭化水素ポリマーセグメントの含有量は、ポリマーの全モル数に対しては、0.05mol%以上が好ましく、0.1mol%以上がより好ましく、0.2mol%以上が更に好ましい。上限としては、50mol%以下が好ましく、20mol%以下がより好ましく、10mol%以下が更に好ましい。
(B)バインダー中の、ソフトセグメントの含有量は、ポリマーの全質量に対しては、0質量%以上が好ましく、10質量%以上がより好ましく、20質量%以上が更に好ましく、30質量%以上が特に好ましい。上限としては、90質量%以下が好ましく、80質量%以下がより好ましく、70質量%以下が更に好ましい。
(B)バインダー中の、ソフトセグメントの含有量は、ポリマーの全モル数に対しては、0mol%以上が好ましく、1mol%以上がより好ましく、2mol%以上が更に好ましく、5mol%以上が特に好ましい。上限としては、50mol%以下が好ましく、30mol%以下がより好ましく、20mol%以下が更に好ましい。
(B)バインダー中の、ソフトセグメントの含有量は、ポリマーの全モル数に対しては、0mol%以上が好ましく、1mol%以上がより好ましく、2mol%以上が更に好ましく、5mol%以上が特に好ましい。上限としては、50mol%以下が好ましく、30mol%以下がより好ましく、20mol%以下が更に好ましい。
(B)バインダー中の、官能基非含有炭化水素ポリマーセグメントの含有量は、ポリマーの全質量に対しては、0質量%以上が好ましく、0.5質量%以上がより好ましく、1質量%以上が更に好ましく、2質量%以上が特に好ましい。上限としては、50質量%以下が好ましく、30質量%以下がより好ましく、20質量%以下が更に好ましい。
(B)バインダー中の、官能基非含有炭化水素ポリマーセグメントの含有量は、ポリマーの全モル数に対しては、0mol%以上が好ましく、0.5mol%以上がより好ましく、1mol%以上が更に好ましく、2mol%以上が特に好ましい。上限としては、30mol%以下が好ましく、20mol%以下がより好ましく、10mol%以下が更に好ましい。
各セグメントを上記の範囲で調整することにより、上記ポリマーの力学強度と、上述の無機粒子等に対する吸着性とを向上させることができ、好ましい。
(B)バインダー中の、官能基非含有炭化水素ポリマーセグメントの含有量は、ポリマーの全モル数に対しては、0mol%以上が好ましく、0.5mol%以上がより好ましく、1mol%以上が更に好ましく、2mol%以上が特に好ましい。上限としては、30mol%以下が好ましく、20mol%以下がより好ましく、10mol%以下が更に好ましい。
各セグメントを上記の範囲で調整することにより、上記ポリマーの力学強度と、上述の無機粒子等に対する吸着性とを向上させることができ、好ましい。
(B)バインダーにおいて、ハードセグメント100モルに対するソフトセグメントのモル比は、1モル以上が好ましく、10モル以上がより好ましく、50モル以上が更に好ましい。上限としては、1,000モル以下が好ましく、500モル以下がより好ましく、100モル以下が更に好ましい。
(B)バインダー中の、官能基含有炭化水素ポリマーセグメントと官能基非含有炭化水素ポリマーセグメントとの合計含有量は、ポリマーの全質量に対しては、5質量%以上が好ましく、10質量%以上がより好ましく、20質量%以上が更に好ましい。上限としては、80質量%以下が好ましく、70質量%以下がより好ましく、60質量%以下が更に好ましい。
(B)バインダー中の、官能基含有炭化水素ポリマーセグメントと官能基非含有炭化水素ポリマーセグメントとの合計含有量は、ポリマーの全モル数に対しては、1mol%以上が好ましく、2mol%以上がより好ましく、3mol%以上が更に好ましい。上限としては、30mol%以下が好ましく、20mol%以下がより好ましく、10mol%以下が更に好ましい。
(B)バインダー中の、官能基含有炭化水素ポリマーセグメントに対する官能基非含有炭化水素ポリマーセグメントの含有量の質量比は、特に限定されないが、0以上が好ましく、1以上がより好ましく、2以上が更に好ましい。上限としては、100以下が好ましく、50以下がより好ましく、20以下が更に好ましい。
(B)バインダー中の、官能基含有炭化水素ポリマーセグメント100モルに対する官能基非含有炭化水素ポリマーセグメントのモル比も、特に限定されないが、0以上が好ましく、1以上がより好ましく、2以上が更に好ましい。上限としては、100以下が好ましく、50以下がより好ましく、20以下が更に好ましい。
(B)バインダー中の、官能基含有炭化水素ポリマーセグメントと官能基非含有炭化水素ポリマーセグメントとの合計含有量は、ポリマーの全モル数に対しては、1mol%以上が好ましく、2mol%以上がより好ましく、3mol%以上が更に好ましい。上限としては、30mol%以下が好ましく、20mol%以下がより好ましく、10mol%以下が更に好ましい。
(B)バインダー中の、官能基含有炭化水素ポリマーセグメントに対する官能基非含有炭化水素ポリマーセグメントの含有量の質量比は、特に限定されないが、0以上が好ましく、1以上がより好ましく、2以上が更に好ましい。上限としては、100以下が好ましく、50以下がより好ましく、20以下が更に好ましい。
(B)バインダー中の、官能基含有炭化水素ポリマーセグメント100モルに対する官能基非含有炭化水素ポリマーセグメントのモル比も、特に限定されないが、0以上が好ましく、1以上がより好ましく、2以上が更に好ましい。上限としては、100以下が好ましく、50以下がより好ましく、20以下が更に好ましい。
官能基含有炭化水素ポリマーセグメントにおいて、上記官能基を有する繰り返し単位、上記式(1)で表される繰り返し単位及び式(2)で表される繰り返し単位の含有量は、特に限定されない。本発明において、上記繰り返し単位の含有量は、それぞれ、本発明の効果の点で、官能基含有炭化水素ポリマーセグメント中、5質量%以上が好ましく、10質量%以上がより好ましく、20質量%以上が更に好ましい。上限としては、100質量%以下が好ましく、90質量%以下がより好ましく、80質量%以下が更に好ましい。同様に、モル比としては、官能基含有炭化水素ポリマーセグメント中、上記繰り返し単位の含有量は、5mol%以上が好ましく、10mol%以上がより好ましく、20mol%以上が更に好ましい。上限としては、100mol%以下が好ましく、95mol%以下がより好ましく、90mol%以下が更に好ましい。
バインダー(B)について、具体的に説明する。
バインダー(B)として、アミド結合を有するポリマー(ポリアミド)、ウレア結合を有するポリマー(ポリウレア)、イミド結合を有するポリマー(ポリイミド)、ウレタン結合を有するポリマー(ポリウレタン)及びエステル結合を有するポリマー(ポリエステル)が挙げられる。
本発明において、バインダーは、ポリウレタン、ポリウレア、ポリアミド、ポリイミド及びポリエステルというときは、主とする各結合以外に別の結合が含まれていてもよい。
バインダー(B)として、アミド結合を有するポリマー(ポリアミド)、ウレア結合を有するポリマー(ポリウレア)、イミド結合を有するポリマー(ポリイミド)、ウレタン結合を有するポリマー(ポリウレタン)及びエステル結合を有するポリマー(ポリエステル)が挙げられる。
本発明において、バインダーは、ポリウレタン、ポリウレア、ポリアミド、ポリイミド及びポリエステルというときは、主とする各結合以外に別の結合が含まれていてもよい。
(B)バインダーは、セグメントaと官能基含有炭化水素ポリマーセグメントとを有するバインダーであり、セグメントaと、上記式(1)で表される繰り返し単位及び上記式(2)で表される繰り返し単位から選ばれる少なくとも1種の繰り返し単位(式(1)中の部分構造-L11-A及び式(2)中の部分構造-L12-Aが各々独立に上記式(3)又は式(4)で示される部分構造である繰り返し単位)を有する炭化水素ポリマーセグメントとを有するバインダー(B)(本発明のポリマーと称する。)が好ましい。(B)バインダーは、更に、所望によりソフトセグメントと、所望により上記官能基非含有炭化水素ポリマーセグメントとを有することも、好ましい。
(B)バインダーがソフトセグメントを有する場合、ハードセグメントとソフトセグメントとの組み合わせは、特に限定されず、ウレタン結合、ウレア結合、アミド結合又はイミド結合を有するハードセグメントの少なくとも1種と、上記のポリアルキレンエーテル鎖、ポリエステル鎖、ポリカーボネート鎖又はシリコーン鎖を有するソフトセグメントの少なくとも1種との組み合わせが挙げられる。
また、(B)バインダーが官能基非含有炭化水素ポリマーセグメントを有する場合、官能基含有炭化水素ポリマーセグメントと官能基非含有炭化水素ポリマーセグメントとの組み合わせは、特に限定されず、官能基(連結基を含む。)の有無以外は同じ炭化水素ポリマーセグメントであってもよく、互いに異なる炭化水素ポリマーセグメントであってもよい。
(B)バインダーがソフトセグメントを有する場合、ハードセグメントとソフトセグメントとの組み合わせは、特に限定されず、ウレタン結合、ウレア結合、アミド結合又はイミド結合を有するハードセグメントの少なくとも1種と、上記のポリアルキレンエーテル鎖、ポリエステル鎖、ポリカーボネート鎖又はシリコーン鎖を有するソフトセグメントの少なくとも1種との組み合わせが挙げられる。
また、(B)バインダーが官能基非含有炭化水素ポリマーセグメントを有する場合、官能基含有炭化水素ポリマーセグメントと官能基非含有炭化水素ポリマーセグメントとの組み合わせは、特に限定されず、官能基(連結基を含む。)の有無以外は同じ炭化水素ポリマーセグメントであってもよく、互いに異なる炭化水素ポリマーセグメントであってもよい。
(吸着性官能基)
バインダー(B)は、吸着性官能基を有することも好ましい。吸着性官能基は官能基含有炭化水素ポリマー以外のポリマー主鎖(セグメント)に存在していてもよい。吸着性官能基は無機固体電解質、活物質、導電助剤等の無機粒子と相互作用して結着性を高めることができる。このような官能基としては、特開2015-88480号公報の段落[0059]に記載の「第三成分」が有する「ヘテロ原子含有基」が挙げられる。
バインダー(B)は、吸着性官能基を有することも好ましい。吸着性官能基は官能基含有炭化水素ポリマー以外のポリマー主鎖(セグメント)に存在していてもよい。吸着性官能基は無機固体電解質、活物質、導電助剤等の無機粒子と相互作用して結着性を高めることができる。このような官能基としては、特開2015-88480号公報の段落[0059]に記載の「第三成分」が有する「ヘテロ原子含有基」が挙げられる。
(架橋性官能基)
(B)バインダーは、ラジカル重合反応、カチオン重合反応又はアニオン重合反応により架橋構造を形成することが可能な官能基(以下、架橋性官能基とも称す。)を有することも好ましい。上記架橋性官能基同士が反応して結合を形成することにより、本発明に用いられる(B)バインダーは、ポリマー粒子内又はポリマー粒子間で架橋された構造を生じ、強度を向上することができる。
上記架橋性官能基としては、炭素-炭素不飽和結合を有する基及び/又は環状エーテル基が好ましい。炭素-炭素不飽和結合を有する基は、ラジカル重合反応により架橋構造を形成することが可能な基であればよい。炭素-炭素不飽和結合を有する基としては、具体的には、アルケニル基(炭素数は2~12が好ましく、2~8がより好ましい。)、アルキニル基(炭素数は2~12が好ましく、2~8がより好ましい。)、アクリロイル基及びメタクリロイル基が好ましく挙げられ、ビニル基、アリル基、エチニル基、プロパルギル基、アクリロイル基、メタクリロイル基及び2-トリフルオロメチルプロペノイル基がより好ましく挙げられる。環状エーテル基は、カチオン重合反応により架橋構造を形成することが可能であり、具体的には、エポキシ基及びオキセタニル基が好ましく挙げられる。
すなわち、本発明に用いられる(B)バインダーは、下記官能基群(I)から選択される官能基を少なくとも1つ有することが好ましい。
<官能基群(I)>
炭素-炭素不飽和結合を有する基、エポキシ基及びオキセタニル基
炭素-炭素不飽和結合を有する基としては、上記の基が好ましく挙げられ、中でも、ビニル基、エチニル基、アクリロイル基、メタクリロイル基又は2-トリフルオロメチルプロペノイル基が好ましい。
(B)バインダーは、ラジカル重合反応、カチオン重合反応又はアニオン重合反応により架橋構造を形成することが可能な官能基(以下、架橋性官能基とも称す。)を有することも好ましい。上記架橋性官能基同士が反応して結合を形成することにより、本発明に用いられる(B)バインダーは、ポリマー粒子内又はポリマー粒子間で架橋された構造を生じ、強度を向上することができる。
上記架橋性官能基としては、炭素-炭素不飽和結合を有する基及び/又は環状エーテル基が好ましい。炭素-炭素不飽和結合を有する基は、ラジカル重合反応により架橋構造を形成することが可能な基であればよい。炭素-炭素不飽和結合を有する基としては、具体的には、アルケニル基(炭素数は2~12が好ましく、2~8がより好ましい。)、アルキニル基(炭素数は2~12が好ましく、2~8がより好ましい。)、アクリロイル基及びメタクリロイル基が好ましく挙げられ、ビニル基、アリル基、エチニル基、プロパルギル基、アクリロイル基、メタクリロイル基及び2-トリフルオロメチルプロペノイル基がより好ましく挙げられる。環状エーテル基は、カチオン重合反応により架橋構造を形成することが可能であり、具体的には、エポキシ基及びオキセタニル基が好ましく挙げられる。
すなわち、本発明に用いられる(B)バインダーは、下記官能基群(I)から選択される官能基を少なくとも1つ有することが好ましい。
<官能基群(I)>
炭素-炭素不飽和結合を有する基、エポキシ基及びオキセタニル基
炭素-炭素不飽和結合を有する基としては、上記の基が好ましく挙げられ、中でも、ビニル基、エチニル基、アクリロイル基、メタクリロイル基又は2-トリフルオロメチルプロペノイル基が好ましい。
(B)バインダーは、上記架橋性官能基を、上記官能基含有炭化水素ポリマーセグメント及び上記官能基非含有炭化水素ポリマーセグメントの両セグメント以外に有することが好ましく、ハードセグメント又はソフトセグメント中に有することがより好ましい。なお、官能基含有炭化水素ポリマーセグメント中又は官能基非含有炭化水素ポリマーセグメント中に、炭素-炭素不飽和結合を有する場合(例えば、ポリブタジエン及びポリイソプレン)には、炭素原子及び水素原子から構成される架橋性官能基(例えば、ビニル基及びプロペニル基)は、官能基含有炭化水素ポリマーセグメント中又は官能基非含有炭化水素ポリマーセグメント中に存在し得る。
(B)バインダー中における上記架橋性官能基の含有量は、特に制限されるものではないが、(B)バインダーを構成する全繰り返し単位中、上記架橋性官能基を有する繰り返し単位の割合は、1~50mol%が好ましく、5~20mol%がより好ましい。
(B)バインダー中における上記架橋性官能基の含有量は、特に制限されるものではないが、(B)バインダーを構成する全繰り返し単位中、上記架橋性官能基を有する繰り返し単位の割合は、1~50mol%が好ましく、5~20mol%がより好ましい。
上記架橋性官能基同士の反応は、本発明の固体電解質組成物中に、各架橋性官能基に対応する重合開始剤(ラジカル、カチオン又はアニオン重合開始剤)を含有させておき、これらの重合開始剤により反応させてもよく、また、電池駆動時の酸化還元反応により反応させてもよい。なお、ラジカル重合開始剤は、熱によって開裂して開始ラジカルを発生する熱ラジカル重合開始剤、及び、光、電子線又は放射線で開始ラジカルを生成する光ラジカル重合開始剤のいずれでもよい。
本発明の固体電解質組成物が含有してもよい重合開始剤としては、常用される重合開始剤を特に制限することなく用いることができる。
本発明の固体電解質組成物が含有してもよい重合開始剤としては、常用される重合開始剤を特に制限することなく用いることができる。
(バインダー(B)の合成方法)
バインダー(B)の合成方法について、以下に説明する。
上述のバインダー(B)は、例えば、下記化合物、官能基含有炭化水素ポリマー、所望により官能基非含有炭化水素ポリマーを任意に組み合わせて縮重合又は重付加させることで、合成することができる。また、後述するように、下記化合物と官能基非含有炭化水素ポリマーを任意に組み合わせて縮重合又は重付加させた後に、官能基を導入することで、合成することができる。縮重合又は重付加の方法及び条件は、適宜に選択ないしは設定することができる。
バインダー(B)の合成方法について、以下に説明する。
上述のバインダー(B)は、例えば、下記化合物、官能基含有炭化水素ポリマー、所望により官能基非含有炭化水素ポリマーを任意に組み合わせて縮重合又は重付加させることで、合成することができる。また、後述するように、下記化合物と官能基非含有炭化水素ポリマーを任意に組み合わせて縮重合又は重付加させた後に、官能基を導入することで、合成することができる。縮重合又は重付加の方法及び条件は、適宜に選択ないしは設定することができる。
上述のソフトセグメントについても、ハードセグメントを形成する化合物の共存下で、下記化合物等を任意に組み合わせて縮重合又は重付加させることにより、(B)バインダー中に組み込むことができる。また、下記のようにして、合成したエステル結合を有するポリマー、カーボネート結合を有するポリマー又はエーテル結合を有するポリマーを、ハードセグメントに結合させることで、(B)バインダー中に組み込むこともできる。
カーボネート結合を有するポリマーは、低分子量カーボネート(例えば、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート及びジフェニルカーボネート)とジオール化合物との縮合により得られる。
エーテル結合を有するポリマーは、ハロゲン化物(例えば、ハロゲン化アルキル)又はスルホン酸エステルとジオール化合物との置換反応により得られる。
エステル結合を有するポリマーは、後述の縮合により得られる。
カーボネート結合を有するポリマーは、低分子量カーボネート(例えば、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート及びジフェニルカーボネート)とジオール化合物との縮合により得られる。
エーテル結合を有するポリマーは、ハロゲン化物(例えば、ハロゲン化アルキル)又はスルホン酸エステルとジオール化合物との置換反応により得られる。
エステル結合を有するポリマーは、後述の縮合により得られる。
(B)バインダーの合成に用いられる化合物は、例えば、特開2015-88480号公報の段落[0067]~[0100]に記載の、アミド結合を有するポリマー、イミド結合を有するポリマー、ウレタン結合を有するポリマー及びウレア結合を有するポリマーの項で記載されており、これらを好適に用いることができる。
以下に、上記各ポリマーを合成するのに用いる化合物について、説明する。
以下に、上記各ポリマーを合成するのに用いる化合物について、説明する。
ウレタン結合を有するポリマーは、ジイソシアネート化合物とジオール化合物との重付加によって、得られる。
ジイソシアネート化合物については、特開2015-88480号公報の段落[0073]~[0084]に記載の化合物等が挙げられ、4,4’-ジフェニルメタンジイソシアネート(MDI)、2,4-トリレンジイソシアネート(TDI)、p-キシリレンジイソシアネート(XDI)、イソホロンジイソシアネート(IPDI)、ヘキサメチレンジイソシアネート(HDI)、1,3-ジ(イソシアネートメチル)シクロヘキサン(CHMDI)又は4,4’-メチレンビス(シクロヘキシルイソシアネート(H12MDI)が好ましい。
ジオール化合物については、特開2015-88480号公報の段落[0094]~[0099]に記載の化合物等が挙げられ、アルキレングリコール、アルコール化合物又は芳香族フェノール化合物、オリゴマージオール、ポリエステルジオール化合物、ポリカーボネートジオール、シリコーンジオールが好ましく、エチレングリコール、1,4-ブタンジオール、1,3-プロパンジオール、ジメチロールプロピオン酸、ジメチロールブタン酸、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリテトラエチレングリコール又はポリカーボネートジオールがより好ましい。
ウレタン結合を有するポリマーにおいては、ジイソシアネート化合物からなる構成成分がハードセグメントとして、ジオール化合物からなる構成成分がソフトセグメントとして機能することが好ましい。
ジイソシアネート化合物については、特開2015-88480号公報の段落[0073]~[0084]に記載の化合物等が挙げられ、4,4’-ジフェニルメタンジイソシアネート(MDI)、2,4-トリレンジイソシアネート(TDI)、p-キシリレンジイソシアネート(XDI)、イソホロンジイソシアネート(IPDI)、ヘキサメチレンジイソシアネート(HDI)、1,3-ジ(イソシアネートメチル)シクロヘキサン(CHMDI)又は4,4’-メチレンビス(シクロヘキシルイソシアネート(H12MDI)が好ましい。
ジオール化合物については、特開2015-88480号公報の段落[0094]~[0099]に記載の化合物等が挙げられ、アルキレングリコール、アルコール化合物又は芳香族フェノール化合物、オリゴマージオール、ポリエステルジオール化合物、ポリカーボネートジオール、シリコーンジオールが好ましく、エチレングリコール、1,4-ブタンジオール、1,3-プロパンジオール、ジメチロールプロピオン酸、ジメチロールブタン酸、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリテトラエチレングリコール又はポリカーボネートジオールがより好ましい。
ウレタン結合を有するポリマーにおいては、ジイソシアネート化合物からなる構成成分がハードセグメントとして、ジオール化合物からなる構成成分がソフトセグメントとして機能することが好ましい。
ウレタン結合を有するポリマーの場合、重合停止剤としてモノアルコール又はモノアミンを用いることができる。重合停止剤は主鎖の末端部位に導入される。ソフトセグメントを末端に導入する方法として、ポリアルキレングリコールモノアルキルエーテル(ポリエチレングリコールモノアルキルエーテル、ポリプロピレンモノアルキルエーテルが好ましい)、ポリカーボネートジオールモノアルキルエーテル、ポリエステルジオールモノアルキルエーテル、ポリエステルモノアルコールなどを用いることができる。
ウレア結合を有するポリマーは、ジイソシアネート化合物とジアミン化合物との縮重合によって得られる。ジイソシアネート化合物は上述のジイソシアネート化合物が挙げられる。ジアミン化合物としては、特開2015-88480号公報の段落[0068]に記載の化合物等が挙げられ、1,4-ブタンジアミン、1,3-プロパンジアミン、エチレンジアミン、1,4-シクロヘキサンジアミン又はイソホロンジアミンが好ましい。
アミド結合を有するポリマーは、ジアミン化合物とジカルボン酸化合物又はジカルボン酸クロリド化合物との縮重合、又は、ラクタムの開環重合によって、得られる。ジアミン化合物は前述の通りである。ジカルボン酸化合物又はジカルボン酸クロリド化合物としては、特開2015-88480号公報の段落[0069]に記載の化合物が挙げられ、テレフタル酸若しくはイソフタル酸、又は、これらカルボン酸の酸クロリドに対応したものが好ましい。
イミド結合を有するポリマーは、テトラカルボン酸二無水物とジアミン化合物との付加重合によって、得られる。テトラカルボン酸二無水物としては、特開2015-88480号公報の段落[0086]に記載の化合物が挙げられ、5-(2,5-ジオキソテトラヒドロフリル)-3-メチル-3-シクロヘキセン-1,2-ジカルボン酸無水物(THFDAA)、1,2,4,5-シクロヘキサンテトラカルボン酸二無水物(CHDAA)、4,4’-(2,2-ヘキサフルオロイソプロピリデン)ジフタル酸二無水物(6FDAA)等が好ましい。
イミド結合を有するポリマーに用いるジアミン化合物は特開2015-88480号公報[0087]~[0090]に記載の化合物が挙げられる。
イミド結合を有するポリマーに用いるジアミン化合物は特開2015-88480号公報[0087]~[0090]に記載の化合物が挙げられる。
エステル結合を有するポリマーは、ジカルボン酸化合物又はジカルボン酸クロリド化合物とジオール化合物との縮合により得られる。ジカルボン酸又はジカルボン酸クロリド及びジオール化合物の具体例は上述の通りである。
バインダー又は官能基非含有炭化水素ポリマーに上記官能基を導入する方法としては、特に限定されず、公知の方法を適宜に採用できる。例えば、官能基が導入された官能基含有炭化水素ポリマーを合成し、これを上記化合物等と重縮合又は重付加させる方法(官能基含有炭化水素ポリマー重合法ということがある。)、又は、上記化合物等と官能基非含有炭化水素ポリマーとを重縮合又は重付加した後に官能基を導入する方法(官能基非含有炭化水素ポリマー重合法ということがある。)がある。
官能基含有炭化水素ポリマー重合法としては、末端反応性基(アルコール、アミン、酸無水物等)を有する官能基非含有炭化水素ポリマーの炭素-炭素不飽和結合部分にラジカル、アニオン又はカチオンの作用により、上記官能基を有する求核性基(官能基を導入するための化合物)を付加する方法が挙げられる。例えば、ポリブタジエンの1,2-ビニル部位に上記官能基を有するチオール化合物を付加させる方法を用いることができる。このようにして得られた官能基含有炭化水素ポリマーを上記化合物等と重縮合又は重付加させることでバインダー(B)を得ることができる。
官能基非含有炭化水素ポリマーに上記官能基を導入する方法としては、上記のようなエンチオールラジカル付加反応を好適に用いることができる。
官能基非含有炭化水素ポリマーに上記官能基を導入する方法としては、上記のようなエンチオールラジカル付加反応を好適に用いることができる。
この反応に用いられる官能基非含有炭化水素ポリマーとして好適な、ポリマー末端に縮重合又は重付加可能な末端反応性基を有するエン構造を有するオリゴマーとしては、上述の、NISSO-PBシリーズ、クレイソールシリーズ、PolyVEST-HTシリーズ、poly-bdシリーズ又はpoly-ipシリーズ等が好適である。
また、チオール化合物としては、上述の官能基群に含まれる官能基とメルカプト基とを有する化合物であれば特に限定されないが、例えば、メルカプト酢酸、3-メルカプトプロピオン酸、3-メルカプトイソ酪酸、4-メルカプトブタン酸、チオリンゴ酸、α-チオグリセロール、メルカプトエタノール、3-メルカプトプロパノール、4-メルカプトブタノール、3-メルカプトプロパンスルホン酸、3-メルカプトプロパンホスホン酸、2-シアノエタンチオール、3-シアノプロパンチオール、3-メルカプトトリメトキシシラン、3-メルカプトトリエトキシシラン、チオフェノール、4-メチルチオフェノール、4-メトキシチオフェノール、2-メルカプト安息香酸、3-メルカプト安息香酸、4-メルカプト安息香酸、ナフタレンチオール、アントラセンチオール、ピレンチオール、ピレニルメチルチオール又はピレニルメチルブタノール等が挙げられる。
また、チオール化合物としては、上述の官能基群に含まれる官能基とメルカプト基とを有する化合物であれば特に限定されないが、例えば、メルカプト酢酸、3-メルカプトプロピオン酸、3-メルカプトイソ酪酸、4-メルカプトブタン酸、チオリンゴ酸、α-チオグリセロール、メルカプトエタノール、3-メルカプトプロパノール、4-メルカプトブタノール、3-メルカプトプロパンスルホン酸、3-メルカプトプロパンホスホン酸、2-シアノエタンチオール、3-シアノプロパンチオール、3-メルカプトトリメトキシシラン、3-メルカプトトリエトキシシラン、チオフェノール、4-メチルチオフェノール、4-メトキシチオフェノール、2-メルカプト安息香酸、3-メルカプト安息香酸、4-メルカプト安息香酸、ナフタレンチオール、アントラセンチオール、ピレンチオール、ピレニルメチルチオール又はピレニルメチルブタノール等が挙げられる。
上記のようにして合成した官能基含有炭化水素ポリマーの末端反応性基(ヒドロキシ基、アミノ基、酸無水物基)を、例えば特開2015-88480号公報に記載の方法に準じて、上記化合物等と重縮合又は重付加することで、目的とする、ポリウレタン、ポリアミド、ポリウレア、ポリイミド又はポリエステルを合成することができる。
官能基非含有炭化水素ポリマー重合法としては、末端反応性基(アルコール、アミン、酸無水物等)を有する官能基非含有炭化水素ポリマーと上記化合物等とを重縮合又は重付加させてポリウレタン、ポリウレア、ポリアミド、ポリイミド又はポリエステルを形成した後、官能基非含有炭化水素ポリマーセグメント中の炭素-炭素不飽和結合部分に、ラジカル、アニオン又はカチオンの作用により、上記官能基を有する求核性基を付加する方法が挙げられる。上記重縮合又は重付加は、例えば特開2015-88480号公報に記載の方法に準じて行うことができる。
この重合法に用いられる官能基非含有炭化水素ポリマーはその主鎖に反応の起点となる不飽和結合を有しており、かつ、末端に重縮合又は重付加に供することのできる末端反応性基を有することが好ましい。不飽和結合の量は特に限定されない。このような官能基非含有炭化水素ポリマーセグメントとしては、SBS(スチレンブタジエンブロック重合体)、SEBS(スチレンエチレンブタジエンスチレンブロック重合体)、スチレン-スチレンブタジエン-スチレンブロック重合体等のスチレン系熱可塑性エラストマー、SBR(スチレンブタジエンゴム)、BR(ブタジエンゴム)、NR(天然ゴム)、IR(イソプレンゴム)、EPDM(エチレン-プロピレン-ジエン三元共重合体)、NBR(アクリロニトリルブタジエンゴム)、又は、これらの部分水素化物が挙げられる。
上記両重合法において、官能基を導入するための化合物をラジカル付加させる際のラジカル発生剤としては、熱ラジカル開始剤、光ラジカル開始剤のいずれを用いてもよいが、合成の簡便上、熱ラジカル開始剤が特に好ましい。熱ラジカル開始剤としては、アゾ系熱ラジカル開始剤としては、V-60、V-601、V-65、V-70、V-59、V-40、VAm-110、VE-073、NA-044、VA-046B、V-50、VA-057、VA-061、VA-086又はV-501(いずれも、商品名、和光純薬社製)等を使用できる。過酸化物系熱ラジカル開始剤としては、パークミル、パーブチル、パーヘキサ、パーロイル、パーメンタ、パーキュアー、パーメック、ナイパーシリーズ等(日油社製)を用いることができる。
本明細書において、置換又は無置換を明記していない化合物、部分構造ないし基については、その化合物、部分構造ないし基に適宜の置換基を有していてもよい意味である。
化合物、置換基及び連結基等がアルキル基、アルキレン基、アルケニル基、アルケニレン基、アルキニル基及び/又はアルキニレン基等を含むとき、これらは環状でも鎖状でもよく、また直鎖でも分岐していてもよく、上記のように置換されていても無置換でもよい。
化合物、置換基及び連結基等がアルキル基、アルキレン基、アルケニル基、アルケニレン基、アルキニル基及び/又はアルキニレン基等を含むとき、これらは環状でも鎖状でもよく、また直鎖でも分岐していてもよく、上記のように置換されていても無置換でもよい。
(B)バインダーは、セグメントa及び官能基含有炭化水素ポリマーセグメントを有していれば、その結合様式は特に限定されない。例えば、セグメントaと、官能基含有炭化水素ポリマーセグメントと、所望によりソフトセグメントと、所望により官能基非含有炭化水素ポリマーセグメントとの、ランダム重合体又はブロック共重合体(縮重合型ないしは重付加型のセグメント化ポリマー)でもよい。後述の転相乳化法により(B)バインダーの粒子を形成する観点からは、上記セグメント化ポリマーが好ましい。
本発明のポリマーは、例えば、後述する実施例で合成したポリマー構造を示す式で表わすことができる。
(B)バインダーの分子構造は、特に限定されず、線状ポリマー(直鎖状ポリマー)、グラフトポリマー、デンドリマー、星型ポリマー、粒子状ポリマー等の種々の構造を取ることができる。中でも、線状ポリマー又はブランチポリマーが好ましく、線状ポリマーがより好ましい。線状ポリマーであると、後述の転相乳化法によりポリマー粒子を形成しやすくなる。
ここで、線状ポリマーとは、完全に分岐構造を有さないポリマーだけでなく、主鎖の他に短分子鎖を有する略直鎖状ポリマーを含む。短分子鎖を有する程度は、本発明の効果を損なわない範囲であればよく、例えば、後述の転相乳化法により粒子を形成することが可能な範囲が挙げられる。線状ポリマーは、主鎖の他にグラフト鎖を有しない点で、グラフトポリマーとは異なる。
ここで、線状ポリマーとは、完全に分岐構造を有さないポリマーだけでなく、主鎖の他に短分子鎖を有する略直鎖状ポリマーを含む。短分子鎖を有する程度は、本発明の効果を損なわない範囲であればよく、例えば、後述の転相乳化法により粒子を形成することが可能な範囲が挙げられる。線状ポリマーは、主鎖の他にグラフト鎖を有しない点で、グラフトポリマーとは異なる。
本発明に用いられる(B)バインダーの形状は特に限定されず、固体電解質組成物、固体電解質含有シート又は全固体二次電池中において、粒子状であっても不定形状であってもよい。
本発明において、(B)バインダーが分散媒に対して不溶の粒子であることが、固体電解質組成物の分散安定性の観点、及び、高いイオン伝導性を有する全固体二次電池を得られる観点から好ましい。ここで、「(B)バインダーが分散媒に対して不溶の粒子である」とは、30℃の分散媒に添加し、24時間静置しても、平均粒子径が5%以上低下しないことを意味し、3%以上低下しないことが好ましく、1%以上低下しないことがより好ましい。
なお、(B)バインダーの粒子が分散媒に全く溶解していない状態では、添加前に対する平均粒子径の上記変化量は0%である。
また、固体電解質組成物中における(B)バインダーは、無機固体電解質等の粒子間イオン伝導性の低下抑制のため、粒子状であることが好ましく、平均粒子径は、10~1000nmが好ましく、100~500nmがより好ましい。
本発明において、(B)バインダーが分散媒に対して不溶の粒子であることが、固体電解質組成物の分散安定性の観点、及び、高いイオン伝導性を有する全固体二次電池を得られる観点から好ましい。ここで、「(B)バインダーが分散媒に対して不溶の粒子である」とは、30℃の分散媒に添加し、24時間静置しても、平均粒子径が5%以上低下しないことを意味し、3%以上低下しないことが好ましく、1%以上低下しないことがより好ましい。
なお、(B)バインダーの粒子が分散媒に全く溶解していない状態では、添加前に対する平均粒子径の上記変化量は0%である。
また、固体電解質組成物中における(B)バインダーは、無機固体電解質等の粒子間イオン伝導性の低下抑制のため、粒子状であることが好ましく、平均粒子径は、10~1000nmが好ましく、100~500nmがより好ましい。
本発明に用いられる(B)バインダー粒子の平均粒子径は、特に断らない限り、以下に記載の測定条件及び定義に基づくものとする。
バインダー粒子を任意の溶媒(固体電解質組成物の調製に用いる分散媒。例えば、オクタン)を用いて20mLサンプル瓶中で1質量%の分散液を希釈調製する。希釈後の分散試料は、1kHzの超音波を10分間照射し、その直後に試験に使用する。この分散液試料を用い、レーザ回折/散乱式粒度分布測定装置LA-920(商品名、HORIBA社製)を用いて、温度25℃で測定用石英セルを使用してデータ取り込みを50回行い、得られた体積平均粒子径を平均粒子径とする。その他の詳細な条件等は必要によりJIS Z 8828:2013「粒子径解析-動的光散乱法」の記載を参照する。1水準につき5つの試料を作製して測定し、その平均値を採用する。
なお、作製された全固体二次電池からの測定は、例えば、電池を分解し電極を剥がした後、その電極材料について上記ポリマー粒子の平均粒子径の測定方法に準じてその測定を行い、あらかじめ測定していたポリマー粒子以外の粒子の平均粒子径の測定値を排除することにより行うことができる。
バインダー粒子を任意の溶媒(固体電解質組成物の調製に用いる分散媒。例えば、オクタン)を用いて20mLサンプル瓶中で1質量%の分散液を希釈調製する。希釈後の分散試料は、1kHzの超音波を10分間照射し、その直後に試験に使用する。この分散液試料を用い、レーザ回折/散乱式粒度分布測定装置LA-920(商品名、HORIBA社製)を用いて、温度25℃で測定用石英セルを使用してデータ取り込みを50回行い、得られた体積平均粒子径を平均粒子径とする。その他の詳細な条件等は必要によりJIS Z 8828:2013「粒子径解析-動的光散乱法」の記載を参照する。1水準につき5つの試料を作製して測定し、その平均値を採用する。
なお、作製された全固体二次電池からの測定は、例えば、電池を分解し電極を剥がした後、その電極材料について上記ポリマー粒子の平均粒子径の測定方法に準じてその測定を行い、あらかじめ測定していたポリマー粒子以外の粒子の平均粒子径の測定値を排除することにより行うことができる。
(B)バインダーの質量平均分子量は、5,000以上5,000,000未満が好ましく、5,000以上500,000未満がより好ましく、5,000以上50,000未満が更に好ましい。
(B)バインダーのガラス転移温度は、上限は80℃以下が好ましく、50℃以下がより好ましく、30℃以下が更に好ましい。下限は特に限定されないが、一般的には-80℃以上である。
(B)バインダーのガラス転移温度は、上限は80℃以下が好ましく、50℃以下がより好ましく、30℃以下が更に好ましい。下限は特に限定されないが、一般的には-80℃以上である。
(B)バインダーは、固体の状態で使用してもよいし、ポリマー粒子分散液又はポリマー溶液の状態で用いてもよい。
(B)バインダーの固体電解質組成物中の含有量は、無機粒子との結着性と、イオン伝導度の両立の点で、固形成分100質量%において、0.01質量%以上が好ましく、0.1質量%以上がより好ましく、1質量%以上が更に好ましい。上限としては、電池特性の観点から、20質量%以下が好ましく、10質量%以下がより好ましく、5質量%以下が更に好ましい。
本発明の固体電解質組成物において、(B)バインダーの質量に対する、無機固体電解質と活物質の合計質量(総量)の質量比[(無機固体電解質の質量+活物質の質量)/(B)バインダーの質量]は、1,000~1の範囲が好ましい。この比率は更に500~2がより好ましく、100~10が更に好ましい。
本発明の固体電解質組成物において、(B)バインダーの質量に対する、無機固体電解質と活物質の合計質量(総量)の質量比[(無機固体電解質の質量+活物質の質量)/(B)バインダーの質量]は、1,000~1の範囲が好ましい。この比率は更に500~2がより好ましく、100~10が更に好ましい。
<(C)分散媒>
本発明の固体電解質組成物は、固形成分を分散させるため分散媒を含有することが好ましい。
分散媒体は、上記の各成分を分散させるものであればよく、例えば、各種の有機溶媒が挙げられる。分散媒の具体例としては下記のものが挙げられる。
本発明の固体電解質組成物は、固形成分を分散させるため分散媒を含有することが好ましい。
分散媒体は、上記の各成分を分散させるものであればよく、例えば、各種の有機溶媒が挙げられる。分散媒の具体例としては下記のものが挙げられる。
アルコール化合物溶媒としては、例えば、メチルアルコール、エチルアルコール、1-プロピルアルコール、2-ブタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリン、1,6-ヘキサンジオール、1,3-ブタンジオール及び1,4-ブタンジオールが挙げられる。
エーテル化合物溶媒としては、アルキレングリコールアルキルエーテル(エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコール、ジプロピレングリコール、プロピレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール、プロピレングリコールジメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、トリプロピレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル等)、ジアルキルエーテル(ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、ジブチルエーテル等)、テトラヒドロフラン及びジオキサン(1,2-、1,3-及び1,4-の各異性体を含む)が挙げられる。
アミド化合物溶媒としては、例えば、N,N-ジメチルホルムアミド、1-メチル-2-ピロリドン、2-ピロリジノン、1,3-ジメチル-2-イミダゾリジノン、2-ピロリジノン、ε-カプロラクタム、ホルムアミド、N-メチルホルムアミド、アセトアミド、N-メチルアセトアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、N-メチルプロパンアミド及びヘキサメチルホスホリックトリアミドが挙げられる。
アミノ化合物溶媒としては、例えば、トリエチルアミン、及びトリブチルアミンが挙げられる。
ケトン化合物溶媒としては、例えば、アセトン、メチルエチルケトン、ジエチルケトン、ジプロピルケトン及びジブチルケトンが挙げられる。
エステル系化合物溶媒としては、例えば、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル、酢酸ペンチル、酢酸ヘキシル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸プロピル、プロピオン酸ブチル、酪酸メチル、酪酸エチル、酪酸プロピル、酪酸ブチル、酪酸ペンチル、吉草酸メチル、吉草酸エチル、吉草酸プロピル、吉草酸ブチル、カプロン酸メチル、カプロン酸エチル、カプロン酸プロピル及びカプロン酸ブチルが挙げられる。
芳香族化合物溶媒としては、例えば、ベンゼン、トルエン、エチルベンゼン、キシレン及びメシチレンが挙げられる。
脂肪族化合物溶媒としては、例えば、ヘキサン、ヘプタン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、エチルシクロヘキサン、オクタン、ノナン、デカン、ペンタン、シクロペンタン、デカリン及びシクロオクタンが挙げられる。
ニトリル化合物溶媒としては、例えば、アセトニトリル、プロピロニトリル及びブチロニトリルが挙げられる。
分散媒は常圧(1気圧)での沸点が50℃以上であることが好ましく、70℃以上であることがより好ましい。上限は250℃以下であることが好ましく、220℃以下であることが更に好ましい。
上記分散媒は、1種を単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
上記分散媒は、1種を単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
本発明に用いられる(C)分散媒は、任意の組み合わせで用いてもよいが、(B)バインダーの粒子を溶解しないものが好ましい。
具体的には、本発明に用いられる(C)分散媒は、エーテル化合物溶媒又は炭化水素溶媒が好ましく、本発明の固体電解質組成物が粒子状の(B)バインダーを含有し得る点から、炭化水素溶媒がより好ましい。
炭化水素溶媒の中でも、芳香族化合物溶媒としてはトルエン又はキシレンが好ましく、脂肪族化合物溶媒としてはヘプタン、オクタン、シクロヘキサン又はシクロオクタンが好ましい。
具体的には、本発明に用いられる(C)分散媒は、エーテル化合物溶媒又は炭化水素溶媒が好ましく、本発明の固体電解質組成物が粒子状の(B)バインダーを含有し得る点から、炭化水素溶媒がより好ましい。
炭化水素溶媒の中でも、芳香族化合物溶媒としてはトルエン又はキシレンが好ましく、脂肪族化合物溶媒としてはヘプタン、オクタン、シクロヘキサン又はシクロオクタンが好ましい。
固体電解質組成物中の分散媒の含有量は、特に制限されず、0質量%以上であればよい。本発明の固体電解質組成物が分散媒を含有する場合、その含有量は、20~80質量%が好ましく、30~70質量%がより好ましく、40~60質量%が特に好ましい。
(C)分散媒中の炭化水素溶媒の含有量は、本発明の固体電解質組成物が粒子状の(B)バインダーを含有し得る点から、下限値は、50質量%以上が好ましく、70質量%以上がより好ましく、90質量%以上が更に好ましい。上限値は、特に制限はないが100質量%であることが好ましい。
(C)分散媒中の炭化水素溶媒の含有量は、本発明の固体電解質組成物が粒子状の(B)バインダーを含有し得る点から、下限値は、50質量%以上が好ましく、70質量%以上がより好ましく、90質量%以上が更に好ましい。上限値は、特に制限はないが100質量%であることが好ましい。
<(D)活物質>
本発明の固体電解質組成物は、周期律表第一族又は第二族に属する金属元素のイオンの挿入放出が可能な活物質を含有してもよい。
活物質としては、正極活物質及び負極活物質が挙げられ、正極活物質である遷移金属酸化物、又は、負極活物質である金属酸化物が好ましい。
本発明において、活物質(正極活物質及び負極活物質)を含有する固体電解質組成物を、電極用組成物(正極用組成物及び負極用組成物)ということがある。
本発明の固体電解質組成物は、周期律表第一族又は第二族に属する金属元素のイオンの挿入放出が可能な活物質を含有してもよい。
活物質としては、正極活物質及び負極活物質が挙げられ、正極活物質である遷移金属酸化物、又は、負極活物質である金属酸化物が好ましい。
本発明において、活物質(正極活物質及び負極活物質)を含有する固体電解質組成物を、電極用組成物(正極用組成物及び負極用組成物)ということがある。
(正極活物質)
本発明の固体電解質組成物が含有してもよい正極活物質は、可逆的にリチウムイオンを挿入及び放出できるものが好ましい。その材料は、上記特性を有するものであれば、特に制限はなく、遷移金属酸化物、有機物、硫黄などのLiと複合化できる元素、又は、硫黄と金属の複合物などでもよい。
中でも、正極活物質としては、遷移金属酸化物を用いることが好ましく、遷移金属元素Ma(Co、Ni、Fe、Mn、Cu及びVから選択される1種以上の元素)を有する遷移金属酸化物がより好ましい。また、この遷移金属酸化物に元素Mb(リチウム以外の金属周期律表の第1(Ia)族の元素、第2(IIa)族の元素、Al、Ga、In、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Si、P又はBなどの元素)を混合してもよい。混合量としては、遷移金属元素Maの量(100mol%)に対して0~30mol%が好ましい。Li/Maのモル比が0.3~2.2になるように混合して合成されたものが、より好ましい。
遷移金属酸化物の具体例としては、(MA)層状岩塩型構造を有する遷移金属酸化物、(MB)スピネル型構造を有する遷移金属酸化物、(MC)リチウム含有遷移金属リン酸化合物、(MD)リチウム含有遷移金属ハロゲン化リン酸化合物及び(ME)リチウム含有遷移金属ケイ酸化合物等が挙げられる。
本発明の固体電解質組成物が含有してもよい正極活物質は、可逆的にリチウムイオンを挿入及び放出できるものが好ましい。その材料は、上記特性を有するものであれば、特に制限はなく、遷移金属酸化物、有機物、硫黄などのLiと複合化できる元素、又は、硫黄と金属の複合物などでもよい。
中でも、正極活物質としては、遷移金属酸化物を用いることが好ましく、遷移金属元素Ma(Co、Ni、Fe、Mn、Cu及びVから選択される1種以上の元素)を有する遷移金属酸化物がより好ましい。また、この遷移金属酸化物に元素Mb(リチウム以外の金属周期律表の第1(Ia)族の元素、第2(IIa)族の元素、Al、Ga、In、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Si、P又はBなどの元素)を混合してもよい。混合量としては、遷移金属元素Maの量(100mol%)に対して0~30mol%が好ましい。Li/Maのモル比が0.3~2.2になるように混合して合成されたものが、より好ましい。
遷移金属酸化物の具体例としては、(MA)層状岩塩型構造を有する遷移金属酸化物、(MB)スピネル型構造を有する遷移金属酸化物、(MC)リチウム含有遷移金属リン酸化合物、(MD)リチウム含有遷移金属ハロゲン化リン酸化合物及び(ME)リチウム含有遷移金属ケイ酸化合物等が挙げられる。
(MA)層状岩塩型構造を有する遷移金属酸化物の具体例として、LiCoO2(コバルト酸リチウム[LCO])、LiNi2O2(ニッケル酸リチウム)、LiNi0.85Co0.10Al0.05O2(ニッケルコバルトアルミニウム酸リチウム[NCA])、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(ニッケルマンガンコバルト酸リチウム[NMC])及びLiNi0.5Mn0.5O2(マンガンニッケル酸リチウム)が挙げられる。
(MB)スピネル型構造を有する遷移金属酸化物の具体例として、LiMn2O4(LMO)、LiCoMnO4、Li2FeMn3O8、Li2CuMn3O8、Li2CrMn3O8及びLi2NiMn3O8が挙げられる。
(MC)リチウム含有遷移金属リン酸化合物としては、例えば、LiFePO4及びLi3Fe2(PO4)3等のオリビン型リン酸鉄塩、LiFeP2O7等のピロリン酸鉄類、LiCoPO4等のリン酸コバルト類並びにLi3V2(PO4)3(リン酸バナジウムリチウム)等の単斜晶ナシコン型リン酸バナジウム塩が挙げられる。
(MD)リチウム含有遷移金属ハロゲン化リン酸化合物としては、例えば、Li2FePO4F等のフッ化リン酸鉄塩、Li2MnPO4F等のフッ化リン酸マンガン塩及びLi2CoPO4F等のフッ化リン酸コバルト類が挙げられる。
(ME)リチウム含有遷移金属ケイ酸化合物としては、例えば、Li2FeSiO4、Li2MnSiO4及びLi2CoSiO4等が挙げられる。
本発明では、(MA)層状岩塩型構造を有する遷移金属酸化物が好ましく、LCO、LMO、NCA又はNMCがより好ましい。
(MB)スピネル型構造を有する遷移金属酸化物の具体例として、LiMn2O4(LMO)、LiCoMnO4、Li2FeMn3O8、Li2CuMn3O8、Li2CrMn3O8及びLi2NiMn3O8が挙げられる。
(MC)リチウム含有遷移金属リン酸化合物としては、例えば、LiFePO4及びLi3Fe2(PO4)3等のオリビン型リン酸鉄塩、LiFeP2O7等のピロリン酸鉄類、LiCoPO4等のリン酸コバルト類並びにLi3V2(PO4)3(リン酸バナジウムリチウム)等の単斜晶ナシコン型リン酸バナジウム塩が挙げられる。
(MD)リチウム含有遷移金属ハロゲン化リン酸化合物としては、例えば、Li2FePO4F等のフッ化リン酸鉄塩、Li2MnPO4F等のフッ化リン酸マンガン塩及びLi2CoPO4F等のフッ化リン酸コバルト類が挙げられる。
(ME)リチウム含有遷移金属ケイ酸化合物としては、例えば、Li2FeSiO4、Li2MnSiO4及びLi2CoSiO4等が挙げられる。
本発明では、(MA)層状岩塩型構造を有する遷移金属酸化物が好ましく、LCO、LMO、NCA又はNMCがより好ましい。
正極活物質の形状は特に制限されないが粒子状が好ましい。正極活物質の体積平均粒子径(球換算平均粒子径)は特に限定されない。例えば、0.1~50μmとすることができる。正極活物質を所定の粒子径にするには、通常の粉砕機又は分級機を用いればよい。焼成法によって得られた正極活物質は、水、酸性水溶液、アルカリ性水溶液、有機溶剤にて洗浄した後使用してもよい。正極活物質粒子の体積平均粒子径(球換算平均粒子径)は、レーザ回折/散乱式粒度分布測定装置LA-920(商品名、HORIBA社製)を用いて測定することができる。
上記正極活物質は、1種を単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
正極活物質層を形成する場合、正極活物質層の単位面積(cm2)当たりの正極活物質の質量(mg)(目付量)は特に限定されるものではない。設計された電池容量に応じて、適宜に決めることができる。
正極活物質層を形成する場合、正極活物質層の単位面積(cm2)当たりの正極活物質の質量(mg)(目付量)は特に限定されるものではない。設計された電池容量に応じて、適宜に決めることができる。
正極活物質の、固体電解質組成物中における含有量は、特に限定されず、固形分100質量%において、10~95質量%が好ましく、30~90質量%がより好ましく、50~85質量が更に好ましく、55~80質量%が特に好ましい。
(負極活物質)
本発明の固体電解質組成物が含有してもよい負極活物質は、可逆的にリチウムイオンを挿入及び放出できるものが好ましい。その材料は、上記特性を有するものであれば、特に制限はなく、炭素質材料、酸化錫等の金属酸化物、酸化ケイ素、金属複合酸化物、リチウム単体及びリチウムアルミニウム合金等のリチウム合金、並びに、Sn、Si、Al及びIn等のリチウムと合金形成可能な金属等が挙げられる。中でも、炭素質材料又はリチウム複合酸化物が信頼性の点から好ましく用いられる。また、金属複合酸化物としては、リチウムを吸蔵及び放出可能であることが好ましい。その材料は、特には制限されないが、構成成分としてチタン及び/又はリチウムを含有していることが、高電流密度充放電特性の観点で好ましい。
本発明の固体電解質組成物が含有してもよい負極活物質は、可逆的にリチウムイオンを挿入及び放出できるものが好ましい。その材料は、上記特性を有するものであれば、特に制限はなく、炭素質材料、酸化錫等の金属酸化物、酸化ケイ素、金属複合酸化物、リチウム単体及びリチウムアルミニウム合金等のリチウム合金、並びに、Sn、Si、Al及びIn等のリチウムと合金形成可能な金属等が挙げられる。中でも、炭素質材料又はリチウム複合酸化物が信頼性の点から好ましく用いられる。また、金属複合酸化物としては、リチウムを吸蔵及び放出可能であることが好ましい。その材料は、特には制限されないが、構成成分としてチタン及び/又はリチウムを含有していることが、高電流密度充放電特性の観点で好ましい。
負極活物質として用いられる炭素質材料とは、実質的に炭素からなる材料である。例えば、石油ピッチ、アセチレンブラック(AB)等のカーボンブラック、黒鉛(天然黒鉛、気相成長黒鉛等の人造黒鉛等)、及びPAN(ポリアクリロニトリル)系の樹脂若しくはフルフリルアルコール樹脂等の各種の合成樹脂を焼成した炭素質材料を挙げることができる。更に、PAN系炭素繊維、セルロース系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、脱水PVA(ポリビニルアルコール)系炭素繊維、リグニン炭素繊維、ガラス状炭素繊維及び活性炭素繊維等の各種炭素繊維類、メソフェーズ微小球体、グラファイトウィスカー並びに平板状の黒鉛等を挙げることもできる。
負極活物質として適用される金属酸化物及び金属複合酸化物としては、特に非晶質酸化物が好ましく、更に金属元素と周期律表第16族の元素との反応生成物であるカルコゲナイトも好ましく用いられる。ここでいう非晶質とは、CuKα線を用いたX線回折法で、2θ値で20°~40°の領域に頂点を有するブロードな散乱帯を有するものを意味し、結晶性の回折線を有してもよい。
上記非晶質酸化物及びカルコゲナイドからなる化合物群の中でも、半金属元素の非晶質酸化物、及びカルコゲナイドがより好ましく、周期律表第13(IIIB)族~15(VB)族の元素、Al、Ga、Si、Sn、Ge、Pb、Sb及びBiの1種単独あるいはそれらの2種以上の組み合わせからなる酸化物、並びにカルコゲナイドが特に好ましい。好ましい非晶質酸化物及びカルコゲナイドの具体例としては、例えば、Ga2O3、SiO、GeO、SnO、SnO2、PbO、PbO2、Pb2O3、Pb2O4、Pb3O4、Sb2O3、Sb2O4、Sb2O8Bi2O3、Sb2O8Si2O3、Bi2O4、SnSiO3、GeS、SnS、SnS2、PbS、PbS2、Sb2S3、Sb2S5及びSnSiS3が好ましく挙げられる。また、これらは、酸化リチウムとの複合酸化物、例えば、Li2SnO2であってもよい。
負極活物質はチタン原子を含有することも好ましい。より具体的にはLi4Ti5O12(チタン酸リチウム[LTO])がリチウムイオンの吸蔵放出時の体積変動が小さいことから急速充放電特性に優れ、電極の劣化が抑制されリチウムイオン二次電池の寿命向上が可能となる点で好ましい。
本発明においては、Si系の負極を適用することもまた好ましい。一般的にSi負極は、炭素負極(黒鉛及びアセチレンブラックなど)に比べて、より多くのLiイオンを吸蔵できる。すなわち、単位質量あたりのLiイオンの吸蔵量が増加する。そのため、電池容量を大きくすることができる。その結果、バッテリー駆動時間を長くすることができるという利点がある。
負極活物質の形状は特に制限されないが粒子状が好ましい。負極活物質の平均粒子径は、0.1~60μmが好ましい。所定の粒子径にするには、通常の粉砕機又は分級機が用いられる。例えば、乳鉢、ボールミル、サンドミル、振動ボールミル、衛星ボールミル、遊星ボールミル、旋回気流型ジェットミル又は篩などが好適に用いられる。粉砕時には水、あるいはメタノール等の有機溶媒を共存させた湿式粉砕も必要に応じて行うことができる。所望の粒子径とするためには分級を行うことが好ましい。分級方法としては特に限定はなく、篩、風力分級機などを必要に応じて用いることができる。分級は乾式及び湿式ともに用いることができる。負極活物質粒子の平均粒子径は、前述の正極活物質の体積平均粒子径の測定方法と同様の方法により測定することができる。
上記焼成法により得られた化合物の化学式は、測定方法として誘導結合プラズマ(ICP)発光分光分析法、簡便法として、焼成前後の粉体の質量差から算出できる。
上記負極活物質は、1種を単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
負極活物質層を形成する場合、負極活物質層の単位面積(cm2)当たりの負極活物質の質量(mg)(目付量)は特に限定されるものではない。設計された電池容量に応じて、適宜に決めることができる。
負極活物質層を形成する場合、負極活物質層の単位面積(cm2)当たりの負極活物質の質量(mg)(目付量)は特に限定されるものではない。設計された電池容量に応じて、適宜に決めることができる。
負極活物質の、固体電解質組成物中における含有量は、特に限定されず、固形分100質量%において、10~80質量%であることが好ましく、20~80質量%がより好ましい。
正極活物質及び負極活物質の表面は別の金属酸化物で表面被覆されていてもよい。表面被覆剤としてはTi,Nb、Ta,W,Zr、Al,Si又はLiを含有する金属酸化物等が挙げられる。具体的には、チタン酸スピネル、タンタル系酸化物、ニオブ系酸化物、ニオブ酸リチウム系化合物等が挙げられ、具体的には、Li4Ti5O12,Li2Ti2O5,LiTaO3,LiNbO3,LiAlO2,Li2ZrO3,Li2WO4,Li2TiO3,Li2B4O7,Li3PO4,Li2MoO4,Li3BO3,LiBO2,Li2CO3,Li2SiO3,SiO2,TiO2,ZrO2,Al2O3,B2O3等が挙げられる。
また、正極活物質又は負極活物質を含む電極表面は硫黄又はリンで表面処理されていてもよい。
更に、正極活物質又は負極活物質の粒子表面は、上記表面被覆の前後において活性光線又は活性気体(プラズマ等)により表面処理を施されていてもよい。
また、正極活物質又は負極活物質を含む電極表面は硫黄又はリンで表面処理されていてもよい。
更に、正極活物質又は負極活物質の粒子表面は、上記表面被覆の前後において活性光線又は活性気体(プラズマ等)により表面処理を施されていてもよい。
<(E)導電助剤>
本発明の固体電解質組成物は、導電助剤を含有してもよい。導電助剤としては、特に制限はなく、一般的な導電助剤として知られているものを用いることができる。例えば、電子伝導性材料である、天然黒鉛、人造黒鉛などの黒鉛類、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラックなどのカーボンブラック類、ニードルコークスなどの無定形炭素、気相成長炭素繊維若しくはカーボンナノチューブなどの炭素繊維類、グラフェン若しくはフラーレンなどの炭素質材料であってもよいし、銅、ニッケルなどの金属粉、金属繊維でもよく、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリフェニレン誘導体など導電性高分子を用いてもよい。またこれらの内1種を用いてもよいし、2種以上を用いてもよい。
本発明において、負極活物質と導電助剤とを併用する場合、電池を充放電した際にLiの挿入と放出が起きず、負極活物質として機能しないものを導電助剤とする。したがって、導電助剤の中でも、電池を充放電した際に負極活物質層中において負極活物質として機能しうるものは、導電助剤ではなく負極活物質に分類する。電池を充放電した際に負極活物質として機能するか否かは、一義的に言うことができず、負極活物質との組み合わせにおいて決定される。
導電助剤の含有量は、固体電解質組成物中の固形分100質量%に対して、0~5質量%が好ましく、0.5~3質量%がより好ましい。
本発明の固体電解質組成物は、導電助剤を含有してもよい。導電助剤としては、特に制限はなく、一般的な導電助剤として知られているものを用いることができる。例えば、電子伝導性材料である、天然黒鉛、人造黒鉛などの黒鉛類、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラックなどのカーボンブラック類、ニードルコークスなどの無定形炭素、気相成長炭素繊維若しくはカーボンナノチューブなどの炭素繊維類、グラフェン若しくはフラーレンなどの炭素質材料であってもよいし、銅、ニッケルなどの金属粉、金属繊維でもよく、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリフェニレン誘導体など導電性高分子を用いてもよい。またこれらの内1種を用いてもよいし、2種以上を用いてもよい。
本発明において、負極活物質と導電助剤とを併用する場合、電池を充放電した際にLiの挿入と放出が起きず、負極活物質として機能しないものを導電助剤とする。したがって、導電助剤の中でも、電池を充放電した際に負極活物質層中において負極活物質として機能しうるものは、導電助剤ではなく負極活物質に分類する。電池を充放電した際に負極活物質として機能するか否かは、一義的に言うことができず、負極活物質との組み合わせにおいて決定される。
導電助剤の含有量は、固体電解質組成物中の固形分100質量%に対して、0~5質量%が好ましく、0.5~3質量%がより好ましい。
<(F)リチウム塩>
本発明の固体電解質組成物は、リチウム塩を含有してもよい。
リチウム塩としては、特に制限はなく、例えば、特開2015-088486号公報の段落0082~0085記載のリチウム塩が好ましい。
リチウム塩の含有量は、固体電解質組成物中の固形分100質量部に対して、0質量部以上が好ましく、2質量部以上がより好ましい。上限としては、20質量部以下が好ましく、10質量部以下がより好ましい。
本発明の固体電解質組成物は、リチウム塩を含有してもよい。
リチウム塩としては、特に制限はなく、例えば、特開2015-088486号公報の段落0082~0085記載のリチウム塩が好ましい。
リチウム塩の含有量は、固体電解質組成物中の固形分100質量部に対して、0質量部以上が好ましく、2質量部以上がより好ましい。上限としては、20質量部以下が好ましく、10質量部以下がより好ましい。
<その他のバインダー>
本発明の固体電解質組成物は、本発明の効果を損なわない範囲内で、上述の(B)バインダーの他に、通常用いられるバインダーを含有してもよい。
通常用いられるバインダーとしては有機ポリマーが挙げられ、例えば、以下に述べる樹脂からなるバインダーが好ましく使用される。
本発明の固体電解質組成物は、本発明の効果を損なわない範囲内で、上述の(B)バインダーの他に、通常用いられるバインダーを含有してもよい。
通常用いられるバインダーとしては有機ポリマーが挙げられ、例えば、以下に述べる樹脂からなるバインダーが好ましく使用される。
含フッ素樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリビニレンジフルオリド(PVdF)、ポリビニレンジフルオリドとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体(PVdF-HFP)が挙げられる。
炭化水素系熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、スチレンブタジエンゴム(SBR)、水素添加スチレンブタジエンゴム(HSBR)、ブチレンゴム、アクリロニトリル-ブタジエンゴム、ポリブタジエン、ポリイソプレンが挙げられる。アクリル樹脂としては、各種の(メタ)アクリルモノマー類、(メタ)アクリルアミドモノマー類、及びこれら樹脂を構成するモノマーの共重合体(好ましくは、アクリル酸とアクリル酸メチルとの共重合体)が挙げられる。
また、その他のビニル系モノマーとの共重合体(コポリマー)も好適に用いられる。
その他の樹脂としては例えばポリウレタン樹脂、ポリウレア樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエステル樹脂、ポリエーテル樹脂、ポリカーボネート樹脂、セルロース誘導体樹脂等が挙げられる。
これらは1種を単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
炭化水素系熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、スチレンブタジエンゴム(SBR)、水素添加スチレンブタジエンゴム(HSBR)、ブチレンゴム、アクリロニトリル-ブタジエンゴム、ポリブタジエン、ポリイソプレンが挙げられる。アクリル樹脂としては、各種の(メタ)アクリルモノマー類、(メタ)アクリルアミドモノマー類、及びこれら樹脂を構成するモノマーの共重合体(好ましくは、アクリル酸とアクリル酸メチルとの共重合体)が挙げられる。
また、その他のビニル系モノマーとの共重合体(コポリマー)も好適に用いられる。
その他の樹脂としては例えばポリウレタン樹脂、ポリウレア樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエステル樹脂、ポリエーテル樹脂、ポリカーボネート樹脂、セルロース誘導体樹脂等が挙げられる。
これらは1種を単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
なお、上記バインダーは市販品を用いることができる。また、常法により調製することもできる。
<分散剤>
本発明の固体電解質組成物は、分散剤を含有してもよい。分散剤を添加することで電極活物質及び無機固体電解質のいずれかの濃度が高い場合においても、粒子径が細かく表面積が増大する場合においても、その凝集を抑制し、均一な活物質層及び固体電解質層を形成することができる。分散剤としては、全固体二次電池に通常使用されるものを適宜選定して用いることができる。一般的には粒子吸着と立体反発及び/又は静電反発を意図した化合物が好適に使用される。
本発明の固体電解質組成物は、分散剤を含有してもよい。分散剤を添加することで電極活物質及び無機固体電解質のいずれかの濃度が高い場合においても、粒子径が細かく表面積が増大する場合においても、その凝集を抑制し、均一な活物質層及び固体電解質層を形成することができる。分散剤としては、全固体二次電池に通常使用されるものを適宜選定して用いることができる。一般的には粒子吸着と立体反発及び/又は静電反発を意図した化合物が好適に使用される。
<固体電解質組成物の調製>
本発明の固体電解質組成物は、(A)無機固体電解質及び(B)バインダー、必要により、分散媒又は他の成分を、例えば、各種の混合機を用いて、混合することにより、調製することができる。好ましくは、(A)無機固体電解質及び(B)バインダーと、必要により(C)分散媒、他の成分を分散媒に分散させたスラリーとして、調製できる。
固体電解質組成物のスラリーは、各種の混合機を用いて調製できる。混合装置としては、特に限定されないが、例えば、ボールミル、ビーズミル、プラネタリミキサ―、ブレードミキサ―、ロールミル、ニーダー及びディスクミルが挙げられる。混合条件は特に制限されないが、例えば、ボールミルを用いた場合、150~700rpm(rotation per minute)で1時間~24時間混合することが好ましい。
分散媒を含有しない固体電解質組成物を調製する場合には、上記の(A)無機固体電解質の分散工程と同時に添加及び混合してもよく、別途添加及び混合してもよい。なお、(B)バインダーは、(A)無機固体電解質及び/又は活物質若しくは分散剤等の成分の分散工程と同時に添加及び混合してもよく、別途添加及び混合してもよい。また、本発明の固体電解質組成物に添加及び/又は混合する際の(B)バインダーの形態は、(B)バインダーそのものであっても、(B)バインダーの溶液であっても、(B)バインダーの分散液(ポリマーの非水溶媒分散物)であってもよい。中でも、無機固体電解質の分解を抑制し、かつ、活物質と無機固体電解質の粒子表面に点在化してイオン伝導度を担保できる点からは、バインダーの分散液が好ましい。
本発明の固体電解質組成物は、(A)無機固体電解質及び(B)バインダー、必要により、分散媒又は他の成分を、例えば、各種の混合機を用いて、混合することにより、調製することができる。好ましくは、(A)無機固体電解質及び(B)バインダーと、必要により(C)分散媒、他の成分を分散媒に分散させたスラリーとして、調製できる。
固体電解質組成物のスラリーは、各種の混合機を用いて調製できる。混合装置としては、特に限定されないが、例えば、ボールミル、ビーズミル、プラネタリミキサ―、ブレードミキサ―、ロールミル、ニーダー及びディスクミルが挙げられる。混合条件は特に制限されないが、例えば、ボールミルを用いた場合、150~700rpm(rotation per minute)で1時間~24時間混合することが好ましい。
分散媒を含有しない固体電解質組成物を調製する場合には、上記の(A)無機固体電解質の分散工程と同時に添加及び混合してもよく、別途添加及び混合してもよい。なお、(B)バインダーは、(A)無機固体電解質及び/又は活物質若しくは分散剤等の成分の分散工程と同時に添加及び混合してもよく、別途添加及び混合してもよい。また、本発明の固体電解質組成物に添加及び/又は混合する際の(B)バインダーの形態は、(B)バインダーそのものであっても、(B)バインダーの溶液であっても、(B)バインダーの分散液(ポリマーの非水溶媒分散物)であってもよい。中でも、無機固体電解質の分解を抑制し、かつ、活物質と無機固体電解質の粒子表面に点在化してイオン伝導度を担保できる点からは、バインダーの分散液が好ましい。
[ポリマーの非水溶媒分散物]
本発明のポリマーの非水溶媒分散物は、(B)バインダーの粒子が非水溶媒に分散された分散物であり、例えば転相乳化法による(B)バインダーの粒子の調製方法により調製することができる。転相乳化法は公知の方法を選択できる。
本明細書中、非水溶媒とは、水以外の溶媒を意味し、転相乳化法により(B)バインダーの粒子を調製し得る分散媒が好ましい。具体的には、上述の(C)分散媒が挙げられ、炭化水素溶媒(上述の芳香族化合物溶媒及脂肪族化合物溶媒)、エーテル溶媒及びケトン溶媒が好ましい。なお、本発明のポリマーの非水溶媒分散物には、(B)バインダーが粒子として分散されている限り、水が含まれていてもよいが、含水量は100ppm以下、より好ましくは50ppm以下が好ましい。
本発明のポリマーの非水溶媒分散物は、無機固体電解質を分解し、イオン伝導度を低下させ得る溶媒を含まない形態を取り得るため、全固体二次電池用として好適に用いることができる。例えば、本発明のポリマーの非水溶媒分散物は、本発明の固体電解質組成物に添加混合することができるため、煩雑な工程を必要とせず、また、溶媒に残存する水等の除去工程が不要である。
また、本発明に係るポリマーの非水溶媒分散物は、乳化剤を使用しない形態を採用することが可能なため、乳化剤を使用しない場合には、乾燥するとポリマー溶液を乾燥した場合と同程度の高い接着性を有する。このため、本発明に係るポリマーの非水溶媒分散物は、全固体二次電池用途に限らず、例えば、接着剤及び粘着剤に適用することもでき、その優れた効果を発揮する。
ポリマーの非水溶媒分散物におけるバインダー(B)の含有量は、特に限定されないが、例えば、非水溶媒分散物100質量%中、0.1~50質量%が好ましく、1~30質量%がより好ましい。
本発明のポリマーの非水溶媒分散物は、(B)バインダーの粒子が非水溶媒に分散された分散物であり、例えば転相乳化法による(B)バインダーの粒子の調製方法により調製することができる。転相乳化法は公知の方法を選択できる。
本明細書中、非水溶媒とは、水以外の溶媒を意味し、転相乳化法により(B)バインダーの粒子を調製し得る分散媒が好ましい。具体的には、上述の(C)分散媒が挙げられ、炭化水素溶媒(上述の芳香族化合物溶媒及脂肪族化合物溶媒)、エーテル溶媒及びケトン溶媒が好ましい。なお、本発明のポリマーの非水溶媒分散物には、(B)バインダーが粒子として分散されている限り、水が含まれていてもよいが、含水量は100ppm以下、より好ましくは50ppm以下が好ましい。
本発明のポリマーの非水溶媒分散物は、無機固体電解質を分解し、イオン伝導度を低下させ得る溶媒を含まない形態を取り得るため、全固体二次電池用として好適に用いることができる。例えば、本発明のポリマーの非水溶媒分散物は、本発明の固体電解質組成物に添加混合することができるため、煩雑な工程を必要とせず、また、溶媒に残存する水等の除去工程が不要である。
また、本発明に係るポリマーの非水溶媒分散物は、乳化剤を使用しない形態を採用することが可能なため、乳化剤を使用しない場合には、乾燥するとポリマー溶液を乾燥した場合と同程度の高い接着性を有する。このため、本発明に係るポリマーの非水溶媒分散物は、全固体二次電池用途に限らず、例えば、接着剤及び粘着剤に適用することもでき、その優れた効果を発揮する。
ポリマーの非水溶媒分散物におけるバインダー(B)の含有量は、特に限定されないが、例えば、非水溶媒分散物100質量%中、0.1~50質量%が好ましく、1~30質量%がより好ましい。
[固体電解質含有シート]
本発明の固体電解質含有シートは、(A)周期律表第一族又は第二族に属する金属のイオンの伝導性を有する無機固体電解質と、(B)バインダーとを含有する層を有する。この(B)バインダーは、特に断りがない限り、本発明の固体電解質組成物における(B)バインダーと同義である。
本発明の固体電解質含有シートは、(A)周期律表第一族又は第二族に属する金属のイオンの伝導性を有する無機固体電解質と、(B)バインダーとを含有する層を有する。この(B)バインダーは、特に断りがない限り、本発明の固体電解質組成物における(B)バインダーと同義である。
本発明の固体電解質含有シート、特に、本発明の固体電解質組成物を用いて作製される本発明の固体電解質含有シートは、(B)バインダーを含有するため、耐屈曲性及び耐傷性とイオン伝導度とに優れる。この結果、本発明の固体電解質含有シートを組み込んだ全固体二次電池は、イオン伝導度が高く、短絡の発生を抑制できると考えられる。また、固体電解質含有シートを、ロール トゥ ロール法等の高い生産性で製造することができ、しかも固体電解質層ないしは電解質層に欠陥が生じにくく、電極層又は固体電解質層から活物質又は無機固体電解質が脱落しにくい。更に、この固体電解質含有シートを用いて全固体二次電池を製造すると、上述の生産適性に優れ、全固体二次電池の製造歩留まりを向上させることもできる。
本発明の固体電解質含有シートに、耐屈曲性及び耐傷性とイオン伝導度とを高い水準で付与できる理由は、まだ定かではないが次のように考えられる。
固体電解質含有シートに用いるバインダーは、上述のセグメントaと官能基含有炭化水素ポリマーセグメントとを有している。この官能基含有炭化水素ポリマーセグメントは、上述のように、官能基含有炭化水素ポリマーセグメントの主鎖に対して連結基を介して結合した官能基を有している。そのため、このセグメントは通常ガラス転移温度が低く、所謂ソフトセグメントとしての特性を有するから、固体電解質組成物の調製時又は調製中に、官能基含有炭化水素ポリマーセグメントが高い分子運動性を示す。これに伴って、官能基の分子運動性も高まり、無機粒子との接触確率が上昇すると考えられる。これにより、固体電解質組成物中において、バインダーの含有量を低減しても、官能基と無機粒子とが効率良くしかも強固に密着する。更に、バインダーの含有量が少なくなっているので、無機粒子を過剰に被覆することなく、高いイオン伝導度を維持できると考えられる。
固体電解質含有シートに用いるバインダーは、上述のセグメントaと官能基含有炭化水素ポリマーセグメントとを有している。この官能基含有炭化水素ポリマーセグメントは、上述のように、官能基含有炭化水素ポリマーセグメントの主鎖に対して連結基を介して結合した官能基を有している。そのため、このセグメントは通常ガラス転移温度が低く、所謂ソフトセグメントとしての特性を有するから、固体電解質組成物の調製時又は調製中に、官能基含有炭化水素ポリマーセグメントが高い分子運動性を示す。これに伴って、官能基の分子運動性も高まり、無機粒子との接触確率が上昇すると考えられる。これにより、固体電解質組成物中において、バインダーの含有量を低減しても、官能基と無機粒子とが効率良くしかも強固に密着する。更に、バインダーの含有量が少なくなっているので、無機粒子を過剰に被覆することなく、高いイオン伝導度を維持できると考えられる。
本発明の固体電解質含有シートは、全固体二次電池に好適に用いることができ、その用途に応じて種々の態様を含む。例えば、固体電解質層に好ましく用いられるシート(全固体二次電池用固体電解質含有シート又は固体電解質含有シートともいう)、電極又は電極と固体電解質層との積層体に好ましく用いられるシート(全固体二次電池用電極シート)等が挙げられる。本発明において、これら各種のシートをまとめて全固体二次電池用シートということがある。また、本発明の固体電解質含有シートは、イオン分離膜やイオン交換膜に好適に用いることもできる。例えば、イオン交換膜電気透析装置のイオン交換膜として本発明の固体電解質含有シートを用いることができる。
全固体二次電池用シートは、固体電解質層又は活物質層(電極層)を有するシートであればよく、固体電解質層又は活物質層(電極層)が基材上に形成されているシートでも、基材を有さず、固体電解質層又は活物質層(電極層)から形成されているシートであってもよい。以降、基材上に固体電解質層又は活物質層(電極層)を有する態様のシートを例に、詳細に説明する。
この全固体二次電池用シートは、基材と固体電解質層又は活物質層を有していれば、他の層を有してもよいが、活物質を含有するものは後述する全固体二次電池用電極シートに分類される。他の層としては、例えば、保護層、集電体、コート層(集電体、固体電解質層、活物質層)等が挙げられる。
全固体二次電池用固体電解質含有シートとして、例えば、固体電解質層と、必要により保護層とを基材上に、この順で有するシートが挙げられる。
この全固体二次電池用シートは、基材と固体電解質層又は活物質層を有していれば、他の層を有してもよいが、活物質を含有するものは後述する全固体二次電池用電極シートに分類される。他の層としては、例えば、保護層、集電体、コート層(集電体、固体電解質層、活物質層)等が挙げられる。
全固体二次電池用固体電解質含有シートとして、例えば、固体電解質層と、必要により保護層とを基材上に、この順で有するシートが挙げられる。
基材としては、固体電解質層を支持できるものであれば特に限定されず、後記集電体で説明した材料、有機材料及び無機材料等のシート体(板状体)等が挙げられる。有機材料としては、各種ポリマー等が挙げられ、具体的には、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリエチレン及びセルロース等が挙げられる。無機材料としては、例えば、ガラス及びセラミック等が挙げられる。
固体電解質含有シートにおける、固体電解質層及び活物質層は、それぞれ、好ましくは、含有する成分種及びその含有量比について、特段の断りをしない限り、固体電解質組成物の固形分におけるものと同じである。
全固体二次電池用シートの固体電解質層の層厚は、本発明の全固体二次電池において説明する固体電解質層の層厚と同じである。
このシートは、本発明の固体電解質組成物、好ましくは、(A)無機固体電解質と、(B)バインダーと、(C)分散媒とを含有する固体電解質組成物を基材上(他の層を介していてもよい)に製膜(塗布乾燥)して、基材上に固体電解質層を形成することにより、得られる。詳細は後述する。
ここで、本発明の固体電解質組成物は、上記の方法によって、調製できる。
全固体二次電池用シートの固体電解質層の層厚は、本発明の全固体二次電池において説明する固体電解質層の層厚と同じである。
このシートは、本発明の固体電解質組成物、好ましくは、(A)無機固体電解質と、(B)バインダーと、(C)分散媒とを含有する固体電解質組成物を基材上(他の層を介していてもよい)に製膜(塗布乾燥)して、基材上に固体電解質層を形成することにより、得られる。詳細は後述する。
ここで、本発明の固体電解質組成物は、上記の方法によって、調製できる。
本発明の全固体二次電池用電極シート(単に「電極シート」ともいう。)は、全固体二次電池の活物質層を形成するためのシートであって、集電体としての金属箔上に活物質層を有する電極シートである。この電極シートは、通常、集電体及び活物質層を有するシートであるが、集電体、活物質層及び固体電解質層をこの順に有する態様、並びに、集電体、活物質層、固体電解質層及び活物質層をこの順に有する態様も含まれる。
電極シートを構成する各層の構成及び層厚は、後記の、本発明の全固体二次電池において説明した各層の構成及び層厚と同じである。
電極シートは、本発明の、活物質を含有する固体電解質組成物を金属箔上に製膜(塗布乾燥)して、金属箔上に活物質層を形成することにより、得られる。詳細は後述する。
電極シートを構成する各層の構成及び層厚は、後記の、本発明の全固体二次電池において説明した各層の構成及び層厚と同じである。
電極シートは、本発明の、活物質を含有する固体電解質組成物を金属箔上に製膜(塗布乾燥)して、金属箔上に活物質層を形成することにより、得られる。詳細は後述する。
[全固体二次電池]
本発明の全固体二次電池は、正極と、この正極に対向する負極と、正極及び負極の間の固体電解質層とを有する。正極は、正極集電体上に正極活物質層を有する。負極は、負極集電体上に負極活物質層を有する。
負極活物質層、正極活物質層及び固体電解質層の少なくとも1つの層は、本発明の固体電解質組成物を用いて形成されることが好ましく、(A)無機固体電解質と(B)バインダーとを含有することが好ましい。
固体電解質組成物を用いて形成された活物質層及び/又は固体電解質層は、好ましくは、含有する成分種及びその含有量比について、特段の断りをしない限り、固体電解質組成物の固形分におけるものと同じである。
以下に、図1を参照して、本発明の好ましい実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されない。
本発明の全固体二次電池は、正極と、この正極に対向する負極と、正極及び負極の間の固体電解質層とを有する。正極は、正極集電体上に正極活物質層を有する。負極は、負極集電体上に負極活物質層を有する。
負極活物質層、正極活物質層及び固体電解質層の少なくとも1つの層は、本発明の固体電解質組成物を用いて形成されることが好ましく、(A)無機固体電解質と(B)バインダーとを含有することが好ましい。
固体電解質組成物を用いて形成された活物質層及び/又は固体電解質層は、好ましくは、含有する成分種及びその含有量比について、特段の断りをしない限り、固体電解質組成物の固形分におけるものと同じである。
以下に、図1を参照して、本発明の好ましい実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されない。
図1は、本発明の好ましい実施形態に係る全固体二次電池(リチウムイオン二次電池)を模式化して示す断面図である。本実施形態の全固体二次電池10は、負極側からみて、負極集電体1、負極活物質層2、固体電解質層3、正極活物質層4、正極集電体5を、この順に有する。各層はそれぞれ接触しており、積層した構造をとっている。このような構造を採用することで、充電時には、負極側に電子(e-)が供給され、そこにリチウムイオン(Li+)が蓄積される。一方、放電時には、負極に蓄積されたリチウムイオン(Li+)が正極側に戻され、作動部位6に電子が供給される。図示した例では、作動部位6に電球を採用しており、放電によりこれが点灯するようにされている。
本発明の固体電解質組成物は、上記負極活物質層、正極活物質層、固体電解質層の成形材料として好ましく用いることができる。また、本発明の固体電解質含有シートは、上記負極活物質層、正極活物質層、固体電解質層として好適である。以下、図1の層構成を有する全固体二次電池を全固体二次電池シートと称することもある。
本明細書において、正極活物質層(以下、正極層とも称す。)と負極活物質層(以下、負極層とも称す。)を合わせて電極層又は活物質層と称することがある。また、正極活物質及び負極活物質のいずれか、又は両方を合わせて、単に、活物質又は電極活物質と称することがある。
本発明の固体電解質組成物は、上記負極活物質層、正極活物質層、固体電解質層の成形材料として好ましく用いることができる。また、本発明の固体電解質含有シートは、上記負極活物質層、正極活物質層、固体電解質層として好適である。以下、図1の層構成を有する全固体二次電池を全固体二次電池シートと称することもある。
本明細書において、正極活物質層(以下、正極層とも称す。)と負極活物質層(以下、負極層とも称す。)を合わせて電極層又は活物質層と称することがある。また、正極活物質及び負極活物質のいずれか、又は両方を合わせて、単に、活物質又は電極活物質と称することがある。
(正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層)
全固体二次電池10においては、正極活物質層、固体電解質層及び負極活物質層のいずれかが本発明の固体電解質組成物を用いて作製されている。
すなわち、固体電解質層3が本発明の固体電解質組成物を用いて作製されている場合、固体電解質層3は、(A)無機固体電解質と(B)バインダーとを含む。固体電解質層は、通常、正極活物質及び/又は負極活物質を含まない。
正極活物質層4及び/又は負極活物質層2が、活物質を含有する本発明の固体電解質組成物を用いて作製されている場合、正極活物質層4及び負極活物質層2は、それぞれ、正極活物質又は負極活物質を含み、更に、(A)無機固体電解質と(B)バインダーとを含む。活物質層が無機固体電解質を含有するとイオン伝導度を向上させることができる。
正極活物質層4、固体電解質層3及び負極活物質層2が含有する(A)無機固体電解質及び(B)バインダーは、それぞれ、互いに同種であっても異種であってもよい。
全固体二次電池10においては、正極活物質層、固体電解質層及び負極活物質層のいずれかが本発明の固体電解質組成物を用いて作製されている。
すなわち、固体電解質層3が本発明の固体電解質組成物を用いて作製されている場合、固体電解質層3は、(A)無機固体電解質と(B)バインダーとを含む。固体電解質層は、通常、正極活物質及び/又は負極活物質を含まない。
正極活物質層4及び/又は負極活物質層2が、活物質を含有する本発明の固体電解質組成物を用いて作製されている場合、正極活物質層4及び負極活物質層2は、それぞれ、正極活物質又は負極活物質を含み、更に、(A)無機固体電解質と(B)バインダーとを含む。活物質層が無機固体電解質を含有するとイオン伝導度を向上させることができる。
正極活物質層4、固体電解質層3及び負極活物質層2が含有する(A)無機固体電解質及び(B)バインダーは、それぞれ、互いに同種であっても異種であってもよい。
本発明においては、全固体二次電池における負極活物質層、正極活物質層及び固体電解質層のいずれかの層が、(A)無機固体電解質と(B)バインダーとを含有する固体電解質組成物を用いて作製され、(A)無機固体電解質と(B)バインダーとを含有する層である。
本発明において、全固体二次電池における負極活物質層、正極活物質層及び固体電解質層が、いずれも、上記固体電解質組成物で作製されることが好ましい態様の1つである。
本発明において、全固体二次電池における負極活物質層、正極活物質層及び固体電解質層が、いずれも、上記固体電解質組成物で作製されることが好ましい態様の1つである。
正極活物質層4、固体電解質層3、負極活物質層2の厚さは特に限定されない。一般的な電池の寸法を考慮すると、上記各層の厚さは、それぞれ、10~1,000μmが好ましく、20μm以上500μm未満がより好ましい。本発明の全固体二次電池においては、正極活物質層4、固体電解質層3及び負極活物質層2の少なくとも1層の厚さが、50μm以上500μm未満であることが更に好ましい。
(集電体(金属箔))
正極集電体5及び負極集電体1は、電子伝導体が好ましい。
本発明において、正極集電体及び負極集電体のいずれか、又は、両方を合わせて、単に、集電体と称することがある。
正極集電体を形成する材料としては、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、ニッケル、チタンなどの他に、アルミニウム又はステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタンあるいは銀を処理させたもの(薄膜を形成したもの)が好ましく、その中でも、アルミニウム及びアルミニウム合金がより好ましい。
負極集電体を形成する材料としては、アルミニウム、銅、銅合金、ステンレス鋼、ニッケル、チタンなどの他に、アルミニウム、銅、銅合金又はステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタンあるいは銀を処理させたものが好ましく、アルミニウム、銅、銅合金及びステンレス鋼がより好ましい。
正極集電体5及び負極集電体1は、電子伝導体が好ましい。
本発明において、正極集電体及び負極集電体のいずれか、又は、両方を合わせて、単に、集電体と称することがある。
正極集電体を形成する材料としては、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、ニッケル、チタンなどの他に、アルミニウム又はステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタンあるいは銀を処理させたもの(薄膜を形成したもの)が好ましく、その中でも、アルミニウム及びアルミニウム合金がより好ましい。
負極集電体を形成する材料としては、アルミニウム、銅、銅合金、ステンレス鋼、ニッケル、チタンなどの他に、アルミニウム、銅、銅合金又はステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタンあるいは銀を処理させたものが好ましく、アルミニウム、銅、銅合金及びステンレス鋼がより好ましい。
集電体の形状は、通常フィルムシート状のものが使用されるが、ネット、パンチされたもの、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の成形体なども用いることができる。
集電体の厚みは、特に限定されないが、1~500μmが好ましい。また、集電体表面は、表面処理により凹凸を付けることも好ましい。
集電体の厚みは、特に限定されないが、1~500μmが好ましい。また、集電体表面は、表面処理により凹凸を付けることも好ましい。
本発明において、負極集電体、負極活物質層、固体電解質層、正極活物質層及び正極集電体の各層の間又はその外側には、機能性の層若しくは部材等を適宜介在ないし配設してもよい。また、各層は単層で構成されていても、複層で構成されていてもよい。
(筐体)
上記の各層を配置して全固体二次電池の基本構造を作製することができる。用途によってはこのまま全固体二次電池として使用してもよいが、乾電池の形態とするためには更に適当な筐体に封入して用いる。筐体は、金属性のものであっても、樹脂(プラスチック)製のものであってもよい。金属性のものを用いる場合には、例えば、アルミニウム合金及びステンレス鋼製のものを挙げることができる。金属性の筐体は、正極側の筐体と負極側の筐体に分けて、それぞれ正極集電体及び負極集電体と電気的に接続させることが好ましい。正極側の筐体と負極側の筐体とは、短絡防止用のガスケットを介して接合され、一体化されることが好ましい。
上記の各層を配置して全固体二次電池の基本構造を作製することができる。用途によってはこのまま全固体二次電池として使用してもよいが、乾電池の形態とするためには更に適当な筐体に封入して用いる。筐体は、金属性のものであっても、樹脂(プラスチック)製のものであってもよい。金属性のものを用いる場合には、例えば、アルミニウム合金及びステンレス鋼製のものを挙げることができる。金属性の筐体は、正極側の筐体と負極側の筐体に分けて、それぞれ正極集電体及び負極集電体と電気的に接続させることが好ましい。正極側の筐体と負極側の筐体とは、短絡防止用のガスケットを介して接合され、一体化されることが好ましい。
[固体電解質含有シートの製造]
本発明の固体電解質含有シートは、本発明の固体電解質組成物(好ましくは(C)分散媒を含有する。)を基材上(他の層を介していてもよい)に製膜(塗布乾燥)して、基材上に固体電解質層を形成することにより、得られる。
上記態様により、(A)無機固体電解質と(B)バインダーとを(含有する固体電解質層を)基材上に有する固体電解質含有シートを作製することができる。また、作製した固体電解質含有シートから基材を剥がし、固体電解質層からなる固体電解質含有シートを作製することもできる。
その他、塗布等の工程については、下記全固体二次電池の製造に記載の方法を使用することができる。
本発明の固体電解質含有シートは、本発明の固体電解質組成物(好ましくは(C)分散媒を含有する。)を基材上(他の層を介していてもよい)に製膜(塗布乾燥)して、基材上に固体電解質層を形成することにより、得られる。
上記態様により、(A)無機固体電解質と(B)バインダーとを(含有する固体電解質層を)基材上に有する固体電解質含有シートを作製することができる。また、作製した固体電解質含有シートから基材を剥がし、固体電解質層からなる固体電解質含有シートを作製することもできる。
その他、塗布等の工程については、下記全固体二次電池の製造に記載の方法を使用することができる。
固体電解質含有シートは、電池性能に影響を与えない範囲内で(C)分散媒を含有してもよい。具体的には、全質量中1ppm以上10000ppm以下含有してもよい。
本発明の固体電解質含有シート中の(C)分散媒の含有割合は、以下の方法で測定することができる。
固体電解質含有シートを20mm角で打ち抜き、ガラス瓶中で重テトラヒドロフランに浸漬させる。得られた溶出物をシリンジフィルターでろ過して1H-NMRにより定量操作を行う。1H-NMRピーク面積と溶媒の量の相関性は検量線を作成して求める。
本発明の固体電解質含有シート中の(C)分散媒の含有割合は、以下の方法で測定することができる。
固体電解質含有シートを20mm角で打ち抜き、ガラス瓶中で重テトラヒドロフランに浸漬させる。得られた溶出物をシリンジフィルターでろ過して1H-NMRにより定量操作を行う。1H-NMRピーク面積と溶媒の量の相関性は検量線を作成して求める。
[全固体二次電池及び全固体二次電池用電極シートの製造]
全固体二次電池及び全固体二次電池用電極シートの製造は、常法によって行うことができる。具体的には、全固体二次電池及び全固体二次電池用電極シートは、本発明の固体電解質組成物等を用いて、上記の各層を形成することにより、製造できる。以下詳述する。
全固体二次電池及び全固体二次電池用電極シートの製造は、常法によって行うことができる。具体的には、全固体二次電池及び全固体二次電池用電極シートは、本発明の固体電解質組成物等を用いて、上記の各層を形成することにより、製造できる。以下詳述する。
本発明の全固体二次電池は、本発明の固体電解質組成物を、基材(例えば、集電体となる金属箔)上に塗布し、塗膜を形成(製膜)する工程を含む(介する)方法により、製造できる。
例えば、正極集電体である金属箔上に、正極用材料(正極用組成物)として、正極活物質を含有する固体電解質組成物を塗布して正極活物質層を形成し、全固体二次電池用正極シートを作製する。次いで、この正極活物質層の上に、固体電解質層を形成するための固体電解質組成物を塗布して、固体電解質層を形成する。更に、固体電解質層の上に、負極用材料(負極用組成物)として、負極活物質を含有する固体電解質組成物を塗布して、負極活物質層を形成する。負極活物質層の上に、負極集電体(金属箔)を重ねることにより、正極活物質層と負極活物質層の間に固体電解質層が挟まれた構造の全固体二次電池を得ることができる。必要によりこれを筐体に封入して所望の全固体二次電池とすることができる。
また、各層の形成方法を逆にして、負極集電体上に、負極活物質層、固体電解質層及び正極活物質層を形成し、正極集電体を重ねて、全固体二次電池を製造することもできる。
例えば、正極集電体である金属箔上に、正極用材料(正極用組成物)として、正極活物質を含有する固体電解質組成物を塗布して正極活物質層を形成し、全固体二次電池用正極シートを作製する。次いで、この正極活物質層の上に、固体電解質層を形成するための固体電解質組成物を塗布して、固体電解質層を形成する。更に、固体電解質層の上に、負極用材料(負極用組成物)として、負極活物質を含有する固体電解質組成物を塗布して、負極活物質層を形成する。負極活物質層の上に、負極集電体(金属箔)を重ねることにより、正極活物質層と負極活物質層の間に固体電解質層が挟まれた構造の全固体二次電池を得ることができる。必要によりこれを筐体に封入して所望の全固体二次電池とすることができる。
また、各層の形成方法を逆にして、負極集電体上に、負極活物質層、固体電解質層及び正極活物質層を形成し、正極集電体を重ねて、全固体二次電池を製造することもできる。
別の方法として、次の方法が挙げられる。すなわち、上記のようにして、全固体二次電池用正極シートを作製する。また、負極集電体である金属箔上に、負極用材料(負極用組成物)として、負極活物質を含有する固体電解質組成物を塗布して負極活物質層を形成し、全固体二次電池用負極シートを作製する。次いで、これらシートのいずれか一方の活物質層の上に、上記のようにして、固体電解質層を形成する。更に、固体電解質層の上に、全固体二次電池用正極シート及び全固体二次電池用負極シートの他方を、固体電解質層と活物質層とが接するように積層する。このようにして、全固体二次電池を製造することができる。
また別の方法として、次の方法が挙げられる。すなわち、上記のようにして、全固体二次電池用正極シート及び全固体二次電池用負極シートを作製する。また、これとは別に、固体電解質組成物を基材上に塗布して、固体電解質層からなる全固体二次電池用固体電解質含有シートを作製する。更に、全固体二次電池用正極シート及び全固体二次電池用負極シートで、基材から剥がした固体電解質層を挟むように積層する。このようにして、全固体二次電池を製造することができる。
また別の方法として、次の方法が挙げられる。すなわち、上記のようにして、全固体二次電池用正極シート及び全固体二次電池用負極シートを作製する。また、これとは別に、固体電解質組成物を基材上に塗布して、固体電解質層からなる全固体二次電池用固体電解質含有シートを作製する。更に、全固体二次電池用正極シート及び全固体二次電池用負極シートで、基材から剥がした固体電解質層を挟むように積層する。このようにして、全固体二次電池を製造することができる。
上記の形成法の組み合わせによっても全固体二次電池を製造することができる。例えば、上記のようにして、全固体二次電池用正極シート、全固体二次電池用負極シート及び全固体二次電池用固体電解質含有シートをそれぞれ作製する。次いで、全固体二次電池用負極シート上に、基材から剥がした固体電解質層を積層した後に、上記全固体二次電池用正極シートと張り合わせることで全固体二次電池を製造することができる。この方法において、固体電解質層を全固体二次電池用正極シートに積層し、全固体二次電池用負極シートと張り合わせることもできる。
<各層の形成(成膜)>
固体電解質組成物の塗布方法は、特に限定されず、適宜に選択できる。例えば、塗布(好ましくは湿式塗布)、スプレー塗布、スピンコート塗布、ディップコート、スリット塗布、ストライプ塗布及びバーコート塗布が挙げられる。
このとき、固体電解質組成物は、それぞれ塗布した後に乾燥処理を施してもよいし、重層塗布した後に乾燥処理をしてもよい。乾燥温度は特に限定されない。下限は30℃以上が好ましく、60℃以上がより好ましく、80℃以上が更に好ましい。上限は、300℃以下が好ましく、250℃以下がより好ましく、200℃以下が更に好ましい。このような温度範囲で加熱することで、(C)分散媒を除去し、固体状態にすることができる。また、温度を高くしすぎず、全固体二次電池の各部材を損傷せずに済むため好ましい。これにより、全固体二次電池において、優れた総合性能を示し、かつ良好な結着性を得ることができる。
固体電解質組成物の塗布方法は、特に限定されず、適宜に選択できる。例えば、塗布(好ましくは湿式塗布)、スプレー塗布、スピンコート塗布、ディップコート、スリット塗布、ストライプ塗布及びバーコート塗布が挙げられる。
このとき、固体電解質組成物は、それぞれ塗布した後に乾燥処理を施してもよいし、重層塗布した後に乾燥処理をしてもよい。乾燥温度は特に限定されない。下限は30℃以上が好ましく、60℃以上がより好ましく、80℃以上が更に好ましい。上限は、300℃以下が好ましく、250℃以下がより好ましく、200℃以下が更に好ましい。このような温度範囲で加熱することで、(C)分散媒を除去し、固体状態にすることができる。また、温度を高くしすぎず、全固体二次電池の各部材を損傷せずに済むため好ましい。これにより、全固体二次電池において、優れた総合性能を示し、かつ良好な結着性を得ることができる。
塗布した固体電解質組成物、又は、全固体二次電池を作製した後に、各層又は全固体二次電池を加圧することが好ましい。また、各層を積層した状態で加圧することも好ましい。加圧方法としては油圧シリンダープレス機等が挙げられる。加圧力としては、特に限定されず、一般的には50~1500MPaの範囲であることが好ましい。
また、塗布した固体電解質組成物は、加圧と同時に加熱してもよい。加熱温度としては、特に限定されず、一般的には30~300℃の範囲である。無機固体電解質のガラス転移温度よりも高い温度でプレスすることもできる。
加圧は塗布溶媒又は分散媒をあらかじめ乾燥させた状態で行ってもよいし、溶媒又は分散媒が残存している状態で行ってもよい。
各組成物は同時に塗布してもよいし、塗布乾燥プレスを同時及び/又は逐次行ってもよい。別々の基材に塗布した後に、転写により積層してもよい。
また、塗布した固体電解質組成物は、加圧と同時に加熱してもよい。加熱温度としては、特に限定されず、一般的には30~300℃の範囲である。無機固体電解質のガラス転移温度よりも高い温度でプレスすることもできる。
加圧は塗布溶媒又は分散媒をあらかじめ乾燥させた状態で行ってもよいし、溶媒又は分散媒が残存している状態で行ってもよい。
各組成物は同時に塗布してもよいし、塗布乾燥プレスを同時及び/又は逐次行ってもよい。別々の基材に塗布した後に、転写により積層してもよい。
加圧中の雰囲気としては、特に限定されず、大気下、乾燥空気下(露点-20℃以下)及び不活性ガス中(例えばアルゴンガス中、ヘリウムガス中、窒素ガス中)などいずれでもよい。
プレス時間は短時間(例えば数時間以内)で高い圧力をかけてもよいし、長時間(1日以上)かけて中程度の圧力をかけてもよい。全固体二次電池用シート以外、例えば全固体二次電池の場合には、中程度の圧力をかけ続けるために、全固体二次電池の拘束具(ネジ締め圧等)を用いることもできる。
プレス圧はシート面等の被圧部に対して均一であっても異なる圧であってもよい。
プレス圧は被圧部の面積又は膜厚に応じて変化させることができる。また同一部位を段階的に異なる圧力で変えることもできる。
プレス面は平滑であっても粗面化されていてもよい。
プレス時間は短時間(例えば数時間以内)で高い圧力をかけてもよいし、長時間(1日以上)かけて中程度の圧力をかけてもよい。全固体二次電池用シート以外、例えば全固体二次電池の場合には、中程度の圧力をかけ続けるために、全固体二次電池の拘束具(ネジ締め圧等)を用いることもできる。
プレス圧はシート面等の被圧部に対して均一であっても異なる圧であってもよい。
プレス圧は被圧部の面積又は膜厚に応じて変化させることができる。また同一部位を段階的に異なる圧力で変えることもできる。
プレス面は平滑であっても粗面化されていてもよい。
<初期化>
上記のようにして製造した全固体二次電池は、製造後又は使用前に初期化を行うことが好ましい。初期化は、特に限定されず、例えば、プレス圧を高めた状態で初充放電を行い、その後、全固体二次電池の一般使用圧力になるまで圧力を開放することにより、行うことができる。
上記のようにして製造した全固体二次電池は、製造後又は使用前に初期化を行うことが好ましい。初期化は、特に限定されず、例えば、プレス圧を高めた状態で初充放電を行い、その後、全固体二次電池の一般使用圧力になるまで圧力を開放することにより、行うことができる。
[全固体二次電池の用途]
本発明の全固体二次電池は種々の用途に適用することができる。適用態様には特に限定はないが、例えば、電子機器に搭載する場合、ノートパソコン、ペン入力パソコン、モバイルパソコン、電子ブックプレーヤー、携帯電話、コードレスフォン子機、ページャー、ハンディーターミナル、携帯ファックス、携帯コピー、携帯プリンター、ヘッドフォンステレオ、ビデオムービー、液晶テレビ、ハンディークリーナー、ポータブルCD、ミニディスク、電気シェーバー、トランシーバー、電子手帳、電卓、携帯テープレコーダー、ラジオ、バックアップ電源、メモリーカードなどが挙げられる。その他民生用として、自動車(電気自動車等)、電動車両、モーター、照明器具、玩具、ゲーム機器、ロードコンディショナー、時計、ストロボ、カメラ、医療機器(ペースメーカー、補聴器、肩もみ機など)などが挙げられる。更に、各種軍需用、宇宙用として用いることができる。また、太陽電池と組み合わせることもできる。
本発明の全固体二次電池は種々の用途に適用することができる。適用態様には特に限定はないが、例えば、電子機器に搭載する場合、ノートパソコン、ペン入力パソコン、モバイルパソコン、電子ブックプレーヤー、携帯電話、コードレスフォン子機、ページャー、ハンディーターミナル、携帯ファックス、携帯コピー、携帯プリンター、ヘッドフォンステレオ、ビデオムービー、液晶テレビ、ハンディークリーナー、ポータブルCD、ミニディスク、電気シェーバー、トランシーバー、電子手帳、電卓、携帯テープレコーダー、ラジオ、バックアップ電源、メモリーカードなどが挙げられる。その他民生用として、自動車(電気自動車等)、電動車両、モーター、照明器具、玩具、ゲーム機器、ロードコンディショナー、時計、ストロボ、カメラ、医療機器(ペースメーカー、補聴器、肩もみ機など)などが挙げられる。更に、各種軍需用、宇宙用として用いることができる。また、太陽電池と組み合わせることもできる。
全固体二次電池とは、正極、負極、電解質がともに固体で構成された二次電池をいう。換言すれば、電解質としてカーボネート系の溶媒を用いるような電解液型の二次電池とは区別される。この中で、本発明は無機全固体二次電池を前提とする。全固体二次電池には、電解質としてポリエチレンオキサイド等の高分子化合物を用いる有機(高分子)全固体二次電池と、上記のLi-P-S系ガラス、LLT若しくはLLZ等を用いる無機全固体二次電池とに区分される。なお、無機全固体二次電池に有機化合物を適用することは妨げられず、正極活物質、負極活物質、無機固体電解質のバインダー若しくは添加剤として有機化合物を適用することができる。
無機固体電解質とは、上述した高分子化合物をイオン伝導媒体とする電解質(高分子電解質)とは区別されるものであり、無機化合物がイオン伝導媒体となるものである。具体例としては、上記のLi-P-S系ガラス、LLT若しくはLLZが挙げられる。無機固体電解質は、それ自体が陽イオン(Liイオン)を放出するものではなく、イオンの輸送機能を示すものである。これに対して、電解液ないし固体電解質層に添加して陽イオン(Liイオン)を放出するイオンの供給源となる材料を電解質と呼ぶことがある。上記のイオン輸送材料としての電解質と区別する際には、これを「電解質塩」又は「支持電解質」と呼ぶ。電解質塩としては、例えばLiTFSIが挙げられる。
本発明において「組成物」というときには、2種以上の成分が均一に混合された混合物を意味する。ただし、実質的に均一性が維持されていればよく、所望の効果を奏する範囲で、一部において凝集又は偏在が生じていてもよい。
無機固体電解質とは、上述した高分子化合物をイオン伝導媒体とする電解質(高分子電解質)とは区別されるものであり、無機化合物がイオン伝導媒体となるものである。具体例としては、上記のLi-P-S系ガラス、LLT若しくはLLZが挙げられる。無機固体電解質は、それ自体が陽イオン(Liイオン)を放出するものではなく、イオンの輸送機能を示すものである。これに対して、電解液ないし固体電解質層に添加して陽イオン(Liイオン)を放出するイオンの供給源となる材料を電解質と呼ぶことがある。上記のイオン輸送材料としての電解質と区別する際には、これを「電解質塩」又は「支持電解質」と呼ぶ。電解質塩としては、例えばLiTFSIが挙げられる。
本発明において「組成物」というときには、2種以上の成分が均一に混合された混合物を意味する。ただし、実質的に均一性が維持されていればよく、所望の効果を奏する範囲で、一部において凝集又は偏在が生じていてもよい。
以下に、実施例に基づき本発明について更に詳細に説明する。なお、本発明がこれにより限定して解釈されるものではない。以下の実施例において組成を表す「部」及び「%」は、特に断らない限り質量基準である。また、「室温」は25℃を意味する。
[硫化物系無機固体電解質:Li-P-S系ガラスの合成]
硫化物系無機固体電解質として、T.Ohtomo,A.Hayashi,M.Tatsumisago,Y.Tsuchida,S.HamGa,K.Kawamoto,Journal of Power Sources,233,(2013),pp231-235及びA.Hayashi,S.Hama,H.Morimoto,M.Tatsumisago,T.Minami,Chem.Lett.,(2001),pp872-873の非特許文献を参考にして、Li-P-S系ガラスを合成した。
硫化物系無機固体電解質として、T.Ohtomo,A.Hayashi,M.Tatsumisago,Y.Tsuchida,S.HamGa,K.Kawamoto,Journal of Power Sources,233,(2013),pp231-235及びA.Hayashi,S.Hama,H.Morimoto,M.Tatsumisago,T.Minami,Chem.Lett.,(2001),pp872-873の非特許文献を参考にして、Li-P-S系ガラスを合成した。
具体的には、アルゴン雰囲気下(露点-70℃)のグローブボックス内で、硫化リチウム(Li2S、Aldrich社製、純度>99.98%)2.42g及び五硫化二リン(P2S5、Aldrich社製、純度>99%)3.90gをそれぞれ秤量し、メノウ製乳鉢に投入し、メノウ製乳棒を用いて、5分間混合した。Li2S及びP2S5の混合比は、モル比でLi2S:P2S5=75:25とした。
ジルコニア製45mL容器(フリッチュ社製)に、直径5mmのジルコニアビーズを66g投入し、上記の硫化リチウムと五硫化二リンの混合物全量を投入し、アルゴン雰囲気下で容器を完全に密閉した。フリッチュ社製遊星ボールミルP-7(商品名、フリッチュ社製)に容器をセットし、温度25℃で、回転数510rpmで20時間メカニカルミリングを行うことで、黄色粉体の硫化物系無機固体電解質(Li-P-S系ガラス、LPSと表記することがある。)6.20gを得た。
ジルコニア製45mL容器(フリッチュ社製)に、直径5mmのジルコニアビーズを66g投入し、上記の硫化リチウムと五硫化二リンの混合物全量を投入し、アルゴン雰囲気下で容器を完全に密閉した。フリッチュ社製遊星ボールミルP-7(商品名、フリッチュ社製)に容器をセットし、温度25℃で、回転数510rpmで20時間メカニカルミリングを行うことで、黄色粉体の硫化物系無機固体電解質(Li-P-S系ガラス、LPSと表記することがある。)6.20gを得た。
[(B)バインダーの合成]
まず、実施例で用いるバインダーの合成に用いる官能基含有炭化水素ポリマーをそれぞれ合成した。
<合成例1-1:官能基含有炭化水素ポリマー(b-1)の合成>
500mLの3つ口フラスコに、Nisso-pb-G-2000(商品名、両末端水酸基化ポリブタジエン、数平均分子量1900、日本曹達社製)25gを仕込み、テトラヒドロフラン350mLに溶解した。これに、3-メルカプトプロピオン酸34.3gを加え、窒素気流下60℃で加熱撹拌した。そこへアゾ系ラジカル重合開始剤:V-601(商品名、和光純薬社製)1.2gのTHF50mL溶液を3時間かけて加えた。得られた混合物を更に3時間加熱した後、得られたチオール付加体をアセトンに沈殿させた。沈殿物を固液分離して、80℃で12時間真空乾燥した。得られたポリマーのチオール付加率は全二重結合のうち70モル%であった。数平均分子量は2800であった。
まず、実施例で用いるバインダーの合成に用いる官能基含有炭化水素ポリマーをそれぞれ合成した。
<合成例1-1:官能基含有炭化水素ポリマー(b-1)の合成>
500mLの3つ口フラスコに、Nisso-pb-G-2000(商品名、両末端水酸基化ポリブタジエン、数平均分子量1900、日本曹達社製)25gを仕込み、テトラヒドロフラン350mLに溶解した。これに、3-メルカプトプロピオン酸34.3gを加え、窒素気流下60℃で加熱撹拌した。そこへアゾ系ラジカル重合開始剤:V-601(商品名、和光純薬社製)1.2gのTHF50mL溶液を3時間かけて加えた。得られた混合物を更に3時間加熱した後、得られたチオール付加体をアセトンに沈殿させた。沈殿物を固液分離して、80℃で12時間真空乾燥した。得られたポリマーのチオール付加率は全二重結合のうち70モル%であった。数平均分子量は2800であった。
<合成例1-2:官能基含有炭化水素ポリマー(b-2)の合成>
合成例1において、3-メルカプトプロピオン酸に代えて3-メルカプトイソ酪酸を用いて、チオール付加率を89モル%としたこと以外は、合成例1と同様にして官能基含有炭化水素ポリマー(b-2)を得た。
合成例1において、3-メルカプトプロピオン酸に代えて3-メルカプトイソ酪酸を用いて、チオール付加率を89モル%としたこと以外は、合成例1と同様にして官能基含有炭化水素ポリマー(b-2)を得た。
<合成例1-3:官能基含有炭化水素ポリマー(b-4)の合成>
合成例1において、3-メルカプトプロピオン酸に代えてチオリンゴ酸を用いて、チオール付加率を79モル%としたこと以外は、合成例1と同様にして官能基含有炭化水素ポリマー(b-4)を得た。
合成例1において、3-メルカプトプロピオン酸に代えてチオリンゴ酸を用いて、チオール付加率を79モル%としたこと以外は、合成例1と同様にして官能基含有炭化水素ポリマー(b-4)を得た。
<合成例1-4:官能基含有炭化水素ポリマー(b-18)の合成>
合成例1において、3-メルカプトプロピオン酸に代えて3-メルカプトプロピルトリメトキシシリルを用いて、チオール付加率を89モル%としたこと以外は、合成例1と同様にして官能基含有炭化水素ポリマー(b-18)を得た。
合成例1において、3-メルカプトプロピオン酸に代えて3-メルカプトプロピルトリメトキシシリルを用いて、チオール付加率を89モル%としたこと以外は、合成例1と同様にして官能基含有炭化水素ポリマー(b-18)を得た。
<合成例1-5:官能基含有炭化水素ポリマー(b-12)の合成>
合成例1において、3-メルカプトプロピオン酸に代えて3-メルカプトプロパンスルホン酸を用いて、チオール付加率を89モル%としたこと以外は、合成例1と同様にして官能基含有炭化水素ポリマー(b-12)を得た。
<合成例1-6:官能基含有炭化水素ポリマー(b-14)の合成>
合成例1において、3-メルカプトプロピオン酸に代えて3-メルカプトプロパノールを用いて、チオール付加率を89モル%としたこと以外は、合成例1と同様にして官能基含有炭化水素ポリマー(b-14)を得た。
<合成例1-7:官能基含有炭化水素ポリマー(b-15)の合成>
合成例1において、3-メルカプトプロピオン酸に代えてチオグリセロールを用いて、チオール付加率を89モル%としたこと以外は、合成例1と同様にして官能基含有炭化水素ポリマー(b-15)を得た。
<合成例1-8:官能基含有炭化水素ポリマー(b-20)の合成>
合成例1において、3-メルカプトプロピオン酸に代えて2-ナフタレンチオールを用いて、チオール付加率を89モル%としたこと以外は、合成例1と同様にして官能基含有炭化水素ポリマー(b-20)を得た。
<合成例1-9:官能基含有炭化水素ポリマー(b-24)の合成>
合成例1において、3-メルカプトプロピオン酸に代えて4-メルカプト安息香酸を用いて、チオール付加率を89モル%としたこと以外は、合成例1と同様にして官能基含有炭化水素ポリマー(b-24)を得た。
<合成例1-10:官能基含有炭化水素ポリマー(b-27)の合成>
合成例1において、3-メルカプトプロピオン酸に代えて、3-メルカプトプロピオン酸とベンゼンチオールとを併用して、3-メルカプトプロピオン酸によるチオール付加率を49モル%とし、ベンゼンチオールによるチオール付加率を40モル%としたこと以外は、合成例1と同様にして官能基含有炭化水素ポリマー(b-27)を得た。
合成例1において、3-メルカプトプロピオン酸に代えて3-メルカプトプロパンスルホン酸を用いて、チオール付加率を89モル%としたこと以外は、合成例1と同様にして官能基含有炭化水素ポリマー(b-12)を得た。
<合成例1-6:官能基含有炭化水素ポリマー(b-14)の合成>
合成例1において、3-メルカプトプロピオン酸に代えて3-メルカプトプロパノールを用いて、チオール付加率を89モル%としたこと以外は、合成例1と同様にして官能基含有炭化水素ポリマー(b-14)を得た。
<合成例1-7:官能基含有炭化水素ポリマー(b-15)の合成>
合成例1において、3-メルカプトプロピオン酸に代えてチオグリセロールを用いて、チオール付加率を89モル%としたこと以外は、合成例1と同様にして官能基含有炭化水素ポリマー(b-15)を得た。
<合成例1-8:官能基含有炭化水素ポリマー(b-20)の合成>
合成例1において、3-メルカプトプロピオン酸に代えて2-ナフタレンチオールを用いて、チオール付加率を89モル%としたこと以外は、合成例1と同様にして官能基含有炭化水素ポリマー(b-20)を得た。
<合成例1-9:官能基含有炭化水素ポリマー(b-24)の合成>
合成例1において、3-メルカプトプロピオン酸に代えて4-メルカプト安息香酸を用いて、チオール付加率を89モル%としたこと以外は、合成例1と同様にして官能基含有炭化水素ポリマー(b-24)を得た。
<合成例1-10:官能基含有炭化水素ポリマー(b-27)の合成>
合成例1において、3-メルカプトプロピオン酸に代えて、3-メルカプトプロピオン酸とベンゼンチオールとを併用して、3-メルカプトプロピオン酸によるチオール付加率を49モル%とし、ベンゼンチオールによるチオール付加率を40モル%としたこと以外は、合成例1と同様にして官能基含有炭化水素ポリマー(b-27)を得た。
<合成例1-11:官能基含有炭化水素ポリマー(b-38)の合成>
(両末端アミンポリブタジエン(前駆体I)の合成)
500mLの3つ口フラスコに、Nisso-pb-G-2000(商品名、両末端水酸基化ポリブタジエン、数平均分子量1900、日本曹達社製)25gを仕込み、テトラヒドロフラン350mLに溶解した。これにp-トルエンスルホン酸クロリドとピリジンを加えて室温で撹拌した。アセトニトリルに再沈させて末端p-トルエンスルホン酸エステルポリブタジエンを合成した。
末端p-トルエンスルホン酸エステルポリブタジエンにフタル酸イミドカリウムを加えて100℃で加熱した後、水酸化ナトリウム水溶液を加えて加水分解した。これをアセトニトリルに再沈殿して、下記に示す両末端アミンポリブタジエン(前駆体I)を合成した。
次いで、上記合成例1において、Nisso-pb-G-2000代えて下記前駆体(I)を用い、かつ3-メルカプトプロピオン酸に代えて2-ナフタレンチオールを用いてチオール付加率を89モル%としたこと以外は、合成例1と同様にして、官能基含有炭化水素ポリマー(b-38)を得た。
(両末端アミンポリブタジエン(前駆体I)の合成)
500mLの3つ口フラスコに、Nisso-pb-G-2000(商品名、両末端水酸基化ポリブタジエン、数平均分子量1900、日本曹達社製)25gを仕込み、テトラヒドロフラン350mLに溶解した。これにp-トルエンスルホン酸クロリドとピリジンを加えて室温で撹拌した。アセトニトリルに再沈させて末端p-トルエンスルホン酸エステルポリブタジエンを合成した。
末端p-トルエンスルホン酸エステルポリブタジエンにフタル酸イミドカリウムを加えて100℃で加熱した後、水酸化ナトリウム水溶液を加えて加水分解した。これをアセトニトリルに再沈殿して、下記に示す両末端アミンポリブタジエン(前駆体I)を合成した。
次いで、上記合成例1において、Nisso-pb-G-2000代えて下記前駆体(I)を用い、かつ3-メルカプトプロピオン酸に代えて2-ナフタレンチオールを用いてチオール付加率を89モル%としたこと以外は、合成例1と同様にして、官能基含有炭化水素ポリマー(b-38)を得た。
<合成例1-12:官能基含有炭化水素ポリマー(b-40)の合成>
(両末端フタル酸無水物ポリブタジエン(前駆体II)の合成)
500mLの3つ口フラスコに、Nisso-pb-G-2000(商品名、両末端水酸基化ポリブタジエン、数平均分子量1900、日本曹達社製)25gを仕込み、テトラヒドロフラン350mLに溶解した。これに無水トリメリット酸クロリドとピリジンを加えて室温で撹拌した。アセトニトリルに再沈させて、下記に示す両末端フタル酸無水物ポリブタジエン(前駆体II)を合成した。
次いで、上記合成例1において、Nisso-pb-G-2000に代えて下記前駆体(II)を用い、かつ3-メルカプトプロピオン酸に代えてチオリンゴ酸を用いてチオール付加率を89モル%としたこと以外は、合成例1と同様にして官能基含有炭化水素ポリマー(b-40)を得た。
(両末端フタル酸無水物ポリブタジエン(前駆体II)の合成)
500mLの3つ口フラスコに、Nisso-pb-G-2000(商品名、両末端水酸基化ポリブタジエン、数平均分子量1900、日本曹達社製)25gを仕込み、テトラヒドロフラン350mLに溶解した。これに無水トリメリット酸クロリドとピリジンを加えて室温で撹拌した。アセトニトリルに再沈させて、下記に示す両末端フタル酸無水物ポリブタジエン(前駆体II)を合成した。
次いで、上記合成例1において、Nisso-pb-G-2000に代えて下記前駆体(II)を用い、かつ3-メルカプトプロピオン酸に代えてチオリンゴ酸を用いてチオール付加率を89モル%としたこと以外は、合成例1と同様にして官能基含有炭化水素ポリマー(b-40)を得た。
[ポリウレタンポリマーの合成]
次に、合成した各官能基含有炭化水素ポリマーを用いて、実施例に用いるポリウレタンポリマーをそれぞれ合成した。
得られたポリウレタンポリマーは後述する式(P-1)で表される。
次に、合成した各官能基含有炭化水素ポリマーを用いて、実施例に用いるポリウレタンポリマーをそれぞれ合成した。
得られたポリウレタンポリマーは後述する式(P-1)で表される。
<合成例2-1:ポリウレタンポリマー(B-1)の合成>
200mLの3つ口フラスコに、上記で合成した官能基含有炭化水素ポリマー(b-1)12.5gを投入し、THF(テトラヒドロフラン)50mLに溶解した。この溶液に、ジフェニルメタンジイソシアネー(MDI)1.2gを加え、60℃で撹拌し、均一に溶解させた。そこへビスマス触媒(商品名:ネオスタンU-600、日東化成社製)0.05gを加え、更に60℃で2時間加熱撹拌を続けた。得られたポリマー溶液をヘキサンに加えて沈殿させた。得られた固体を固液分離して、80℃の温度下で12時間真空乾燥した。このようにしてポリウレタンポリマー(B-1)を得た。
200mLの3つ口フラスコに、上記で合成した官能基含有炭化水素ポリマー(b-1)12.5gを投入し、THF(テトラヒドロフラン)50mLに溶解した。この溶液に、ジフェニルメタンジイソシアネー(MDI)1.2gを加え、60℃で撹拌し、均一に溶解させた。そこへビスマス触媒(商品名:ネオスタンU-600、日東化成社製)0.05gを加え、更に60℃で2時間加熱撹拌を続けた。得られたポリマー溶液をヘキサンに加えて沈殿させた。得られた固体を固液分離して、80℃の温度下で12時間真空乾燥した。このようにしてポリウレタンポリマー(B-1)を得た。
<合成例2-2~2-24:ポリウレタンポリマー(B-2)~(B-24)の合成>
ポリウレタンポリマー(B-1)の合成方法において、各セグメントを導く化合物を表1に示す割合(モル比)で用いたこと以外は、ポリウレタンポリマー(B-1)の合成方法と同様にして、ポリウレタンポリマー(B-2)~(B-24)をそれぞれ合成した。
なお、ポリマーB-8及びB-22の合成に用いたジイソシアネート化合物の割合(50/50)はモル比である。下記ポリマーB-47についても同じである。
ポリウレタンポリマー(B-1)の合成方法において、各セグメントを導く化合物を表1に示す割合(モル比)で用いたこと以外は、ポリウレタンポリマー(B-1)の合成方法と同様にして、ポリウレタンポリマー(B-2)~(B-24)をそれぞれ合成した。
なお、ポリマーB-8及びB-22の合成に用いたジイソシアネート化合物の割合(50/50)はモル比である。下記ポリマーB-47についても同じである。
<合成例2-25:ポリウレタンポリマー(B-18)の非水溶媒分散物(B-18L)の合成>
300mLの3つ口フラスコに、1,4-ブタンジオール(14BG)0.9g、上記で合成した官能基含有炭化水素ポリマー(b-4)6.7g、ポリカーボネートジオール(デュラノールG3452:商品名、旭化成ケミカルズ社製)20gを投入し、メチルエチルケトン50mLに溶解させた。これに4,4’-メチレンビス(シクロヘキシルイソシアネート)12.5gを加えて75℃で加熱撹拌した。これにビスマス触媒(商品名:ネオスタンU-600、日東化成社製)を0.055g加え、75℃で2時間撹拌した後、水素添加ポリイソプレンジオール(EPOL:商品名、出光興産社製)8.4gのTHF20mL溶液を加えて、更に2時間加熱撹拌した。得られたポリマー溶液をTHF50mLで希釈し、オクタン100mLを30分かけて滴下し、ポリマーを乳化させた。得られた乳化液を100℃に加熱してメチルエチルケトンとTHFを溜去して濃度調整することで、ポリウレタンポリマー(B-18)の10質量%オクタン分散物(B-18L)を得た。この分散物中におけるポリウレタンポリマーの質量平均分子量は42000、平均粒子径は250nmであった。
300mLの3つ口フラスコに、1,4-ブタンジオール(14BG)0.9g、上記で合成した官能基含有炭化水素ポリマー(b-4)6.7g、ポリカーボネートジオール(デュラノールG3452:商品名、旭化成ケミカルズ社製)20gを投入し、メチルエチルケトン50mLに溶解させた。これに4,4’-メチレンビス(シクロヘキシルイソシアネート)12.5gを加えて75℃で加熱撹拌した。これにビスマス触媒(商品名:ネオスタンU-600、日東化成社製)を0.055g加え、75℃で2時間撹拌した後、水素添加ポリイソプレンジオール(EPOL:商品名、出光興産社製)8.4gのTHF20mL溶液を加えて、更に2時間加熱撹拌した。得られたポリマー溶液をTHF50mLで希釈し、オクタン100mLを30分かけて滴下し、ポリマーを乳化させた。得られた乳化液を100℃に加熱してメチルエチルケトンとTHFを溜去して濃度調整することで、ポリウレタンポリマー(B-18)の10質量%オクタン分散物(B-18L)を得た。この分散物中におけるポリウレタンポリマーの質量平均分子量は42000、平均粒子径は250nmであった。
<合成例2-26:ポリウレタンポリマー(B-24)の非水溶媒分散物(B-24L)の合成>
非水溶媒分散物(B-18L)の合成において、各セグメントを導く化合物を表1に示す割合(モル比)で用いたこと以外は、非水溶媒分散物(B-18L)の合成と同様にして、非水溶媒分散物(B-24L)を10質量%オクタン分散液として得た。この分散物中におけるポリウレタンポリマー(B-24)の質量平均分子量は38800、平均粒子径は290nmであった。
非水溶媒分散物(B-18L)の合成において、各セグメントを導く化合物を表1に示す割合(モル比)で用いたこと以外は、非水溶媒分散物(B-18L)の合成と同様にして、非水溶媒分散物(B-24L)を10質量%オクタン分散液として得た。この分散物中におけるポリウレタンポリマー(B-24)の質量平均分子量は38800、平均粒子径は290nmであった。
表1において、各化合物からなる構成成分を、上述の定義に基づき、ハードセグメント、ソフトセグメント、官能基含有炭化水素ポリマー及び官能基非含有炭化水素ポリマーに分類して、表1に記載した。表1に記載中の「モル%」はポリマー中の各構成成分の含有量(モル%)を示す。表1において、「各セグメントの化合物」中の「-」は各化合物を用いていないことを意味し、「モル%」欄中の「-」は0モル%であることを意味する。また、表1の「Mw」は、合成した官能基含有炭化水素ポリマー及びポリウレタンポリマーの質量平均分子量(上記方法により測定した値)を示す。表1の「Mn」は官能基含有炭化水素ポリマーの数平均分子量を示す。
以下、バインダー(B)の合成(表2~表5)において同じである。
以下、バインダー(B)の合成(表2~表5)において同じである。
得られたポリウレタンポリマーは下記式(P-1)で表される。
下記式(P-1)において、「残基」とは、ポリウレタンポリマーの合成に用いた化合物(表1参照)のうち、化合物末端の反応性基である、-OH基及び-NCO基以外の部分構造をいう。また、a1、b1、c1、d1、e1及びf1はそれぞれ各構成成分のポリマー中の含有量(モル%)を示し、a1+b1+c1+d1+e1+f1=100モル%である。
下記式(P-1)において、「残基」とは、ポリウレタンポリマーの合成に用いた化合物(表1参照)のうち、化合物末端の反応性基である、-OH基及び-NCO基以外の部分構造をいう。また、a1、b1、c1、d1、e1及びf1はそれぞれ各構成成分のポリマー中の含有量(モル%)を示し、a1+b1+c1+d1+e1+f1=100モル%である。
(表の注)
MDI:4,4’-ジフェニルメタンジイソシアネート
XDI:p-キシリレンジイソシアネート
TDI:2,4-トリレンジイソシアネート
IPDI:イソホロンジイソシアネート
CHMDI:1,3-ジ(イソシアネートメチル)シクロヘキサン
H12MDI:4,4’-メチレンビス(シクロヘキシルイソシアネート)
HDI:ヘキサメチレンジイソシアネート
14BG:1,4-ブタンジオール
13PG:1,3-プロパンジオール
EG:エチレングリコール
DMPA:ジメチロールプロピオン酸
DMBA:ジメチロールブタン酸
S-1:ポリエチレングリコール(PEG600、数平均分子量600)
S-2:ポリテトラエチレングリコール(PTEG1000、数平均分子量1000)
S-3:ポリエステルポリオール(クラレポリオールP1010、数平均分子量1000)
S-4:ポリカーボネートジオール(デュラノールT5650J、数平均分子量800)
S-5:ポリカーボネートジオール(デュラノールG3452、数平均分子量2000)
S-6:ポリカーボネートジオール(エタナコールUH100、数平均分子量1000)
S-7:両末端ヒドロキシ変性シリコーン(KF-6003、数平均分子量5000)
H-1:ポリブタジエンジオール(Polybd R-45HT、数平均分子量2800、出光興産(株)製)
H-2:ポリイソプレンジオール(Polyip、数平均分子量2800、出光興産(株)製)
H-3:水素添加ポリブタジエンジオール(NISSO-PB GI-2000、数平均分子量2100、出光興産(株)製)
H-4:水素添加ポリイソプレンジオール(EPOL 数平均分子量2500、出光興産(株)製)
MDI:4,4’-ジフェニルメタンジイソシアネート
XDI:p-キシリレンジイソシアネート
TDI:2,4-トリレンジイソシアネート
IPDI:イソホロンジイソシアネート
CHMDI:1,3-ジ(イソシアネートメチル)シクロヘキサン
H12MDI:4,4’-メチレンビス(シクロヘキシルイソシアネート)
HDI:ヘキサメチレンジイソシアネート
14BG:1,4-ブタンジオール
13PG:1,3-プロパンジオール
EG:エチレングリコール
DMPA:ジメチロールプロピオン酸
DMBA:ジメチロールブタン酸
S-1:ポリエチレングリコール(PEG600、数平均分子量600)
S-2:ポリテトラエチレングリコール(PTEG1000、数平均分子量1000)
S-3:ポリエステルポリオール(クラレポリオールP1010、数平均分子量1000)
S-4:ポリカーボネートジオール(デュラノールT5650J、数平均分子量800)
S-5:ポリカーボネートジオール(デュラノールG3452、数平均分子量2000)
S-6:ポリカーボネートジオール(エタナコールUH100、数平均分子量1000)
S-7:両末端ヒドロキシ変性シリコーン(KF-6003、数平均分子量5000)
H-1:ポリブタジエンジオール(Polybd R-45HT、数平均分子量2800、出光興産(株)製)
H-2:ポリイソプレンジオール(Polyip、数平均分子量2800、出光興産(株)製)
H-3:水素添加ポリブタジエンジオール(NISSO-PB GI-2000、数平均分子量2100、出光興産(株)製)
H-4:水素添加ポリイソプレンジオール(EPOL 数平均分子量2500、出光興産(株)製)
[ポリエステルポリマーの合成]
以下のようにして、実施例に用いるポリエステルポリマーをそれぞれ合成した。得られたポリエステルポリマーは後述する式(P-2)で表される。
以下のようにして、実施例に用いるポリエステルポリマーをそれぞれ合成した。得られたポリエステルポリマーは後述する式(P-2)で表される。
<合成例3-1:ポリエステルポリマー(B-26)の合成>
200mLの3つ口フラスコに、1,4-ブタンジオール(14BG)0.31g、上記で合成した官能基含有炭化水素ポリマー(b-2)2.5g、及び、ジメチロールプロピオン酸(DMPA)5.0gを投入し、THF100mLに溶解した。これを氷浴中で5℃に冷却した。そこへテレフタル酸ジクロリド(TPC)5.1gのTHF溶液20mLを30分間かけて滴下した。得られた混合物を室温に戻して更に2時間撹拌操作した。得られたポリマー溶液をメタノールに加えて、沈殿させた固体を固液分離して真空オーブンで、60℃の温度下で12時間乾燥させた。このようにしてポリエステルポリマー(B-26)を得た。
200mLの3つ口フラスコに、1,4-ブタンジオール(14BG)0.31g、上記で合成した官能基含有炭化水素ポリマー(b-2)2.5g、及び、ジメチロールプロピオン酸(DMPA)5.0gを投入し、THF100mLに溶解した。これを氷浴中で5℃に冷却した。そこへテレフタル酸ジクロリド(TPC)5.1gのTHF溶液20mLを30分間かけて滴下した。得られた混合物を室温に戻して更に2時間撹拌操作した。得られたポリマー溶液をメタノールに加えて、沈殿させた固体を固液分離して真空オーブンで、60℃の温度下で12時間乾燥させた。このようにしてポリエステルポリマー(B-26)を得た。
<合成例3-2~3-7:ポリエステルポリマー(B-25)、(B-27)~(B-31)の合成>
ポリエステルポリマー(B-26)の合成方法において、各セグメントを導く化合物を表2に示す割合(モル比)で用いたこと以外は、ポリエステルポリマー(B-26)の合成方法と同様にして、ポリエステルポリマー(B-25)、(B-27)~(B-31)をそれぞれ合成した。
ポリエステルポリマー(B-26)の合成方法において、各セグメントを導く化合物を表2に示す割合(モル比)で用いたこと以外は、ポリエステルポリマー(B-26)の合成方法と同様にして、ポリエステルポリマー(B-25)、(B-27)~(B-31)をそれぞれ合成した。
得られたポリエステルポリマーは下記式(P-2)で表される。
下記式(P-1)において、「残基」とは、ポリエステルポリマーの合成に用いた化合物(表2参照)のうち、化合物末端の反応性基である、-COCl基及び-OH基以外の部分構造をいう。また、a2、b2、c2、d2、e2及びf2はそれぞれ各構成成分のポリマー中の含有量(モル%)を示し、a2+b2+c2+d2+e2+f2=100モル%である。
下記式(P-1)において、「残基」とは、ポリエステルポリマーの合成に用いた化合物(表2参照)のうち、化合物末端の反応性基である、-COCl基及び-OH基以外の部分構造をいう。また、a2、b2、c2、d2、e2及びf2はそれぞれ各構成成分のポリマー中の含有量(モル%)を示し、a2+b2+c2+d2+e2+f2=100モル%である。
(表の注)
TPC:テレフタル酸ジクロリド
IPC:イソフタル酸ジクロリド
上記以外の略号は表1の注を参照。
TPC:テレフタル酸ジクロリド
IPC:イソフタル酸ジクロリド
上記以外の略号は表1の注を参照。
[ポリアミドポリマーの合成]
以下のようにして、実施例に用いるポリアミドポリマーをそれぞれ合成した。得られたポリアミドポリマーは後述する式(P-3)で表される。
以下のようにして、実施例に用いるポリアミドポリマーをそれぞれ合成した。得られたポリアミドポリマーは後述する式(P-3)で表される。
<合成例4-1~4-7:ポリアミドポリマー(B-32)~(B-38)の合成>
ポリエステルポリマー(B-26)の合成方法において、各セグメントを導く化合物を表3に示す割合(モル比)で用いたこと以外は、ポリエステルポリマー(B-26)の合成方法と同様にして、ポリアミドポリマー(B-32)~(B-38)をそれぞれ合成した。
ポリエステルポリマー(B-26)の合成方法において、各セグメントを導く化合物を表3に示す割合(モル比)で用いたこと以外は、ポリエステルポリマー(B-26)の合成方法と同様にして、ポリアミドポリマー(B-32)~(B-38)をそれぞれ合成した。
得られたポリアミドポリマーは下記式(P-3)で表される。式(P-3)中、Zは、官能基含有炭化水素ポリマーに由来する-O-又は-NH-を示す。
下記式(P-3)において、「残基」とは、ポリアミドポリマーの合成に用いた化合物(表3参照)のうち、化合物末端の反応性基である、-OH基、-COCl基及び-NH2基以外の部分構造をいう。また、a3、b3、d3、e3及びf3はそれぞれ各構成成分のポリマー中の含有量(モル%)を示し、a3+b3+d3+e3+f3=100モル%である。
下記式(P-3)において、「残基」とは、ポリアミドポリマーの合成に用いた化合物(表3参照)のうち、化合物末端の反応性基である、-OH基、-COCl基及び-NH2基以外の部分構造をいう。また、a3、b3、d3、e3及びf3はそれぞれ各構成成分のポリマー中の含有量(モル%)を示し、a3+b3+d3+e3+f3=100モル%である。
(表の注)
14BDA:1,4-ブタンジアミン
13PDA:1,3-プロパンジアミン
EDA:エチレンジアミン
CHDA:1,4-シクロヘキサンジアミン
IPDA:イソホロンジアミン
S-8:末端ジアミンポリエチレンプロピレングリコール(ジェファーミンED600、数平均分子量600、ハンツマン社製)
S-9:末端ジアミンポリエチレンプロピレングリコール(ジェファーミンED900、数平均分子量900、ハンツマン社製)
S-10:末端ジアミンポリエチレンプロピレングリコール(ジェファーミンED2003、数平均分子量2000、ハンツマン社製)
S-11:末端ジアミンポリプロピレングリコール(数平均分子量400、アルドリッチ社製)
S-12:末端ジアミンシリコーン(KF-8008、数平均分子量11000、信越化学社製)
上記以外の略号は表1及び表2の注を参照。
14BDA:1,4-ブタンジアミン
13PDA:1,3-プロパンジアミン
EDA:エチレンジアミン
CHDA:1,4-シクロヘキサンジアミン
IPDA:イソホロンジアミン
S-8:末端ジアミンポリエチレンプロピレングリコール(ジェファーミンED600、数平均分子量600、ハンツマン社製)
S-9:末端ジアミンポリエチレンプロピレングリコール(ジェファーミンED900、数平均分子量900、ハンツマン社製)
S-10:末端ジアミンポリエチレンプロピレングリコール(ジェファーミンED2003、数平均分子量2000、ハンツマン社製)
S-11:末端ジアミンポリプロピレングリコール(数平均分子量400、アルドリッチ社製)
S-12:末端ジアミンシリコーン(KF-8008、数平均分子量11000、信越化学社製)
上記以外の略号は表1及び表2の注を参照。
[ポリウレアポリマーの合成]
以下のようにして、実施例に用いるポリウレアポリマーをそれぞれ合成した。得られたポリウレアポリマーは後述する式(P-4)で表される。
以下のようにして、実施例に用いるポリウレアポリマーをそれぞれ合成した。得られたポリウレアポリマーは後述する式(P-4)で表される。
<合成例5-1~5-11:ポリウレアポリマー(B-39)~(B-49)の合成>
ポリウレタンポリマー(B-1)の合成方法において、各セグメントを導く化合物を表4に示す割合(モル比)で用いたこと以外は、ポリウレタンポリマー(B-1)の合成方法と同様にして、ポリウレアポリマー(B-39)~(B-49)をそれぞれ合成した。
ポリウレタンポリマー(B-1)の合成方法において、各セグメントを導く化合物を表4に示す割合(モル比)で用いたこと以外は、ポリウレタンポリマー(B-1)の合成方法と同様にして、ポリウレアポリマー(B-39)~(B-49)をそれぞれ合成した。
得られたポリウレアポリマーは下記式(P-4)で表される。式(P-4)中、Zは官能基含有炭化水素ポリマーに由来する-O-又は-NH-を示し、Zsはソフトセグメントの導入に用いた化合物に由来する-O-又は-NH-を示す。
下記式(P-4)において、「残基」とは、ポリウレアポリマーの合成に用いた化合物(表4参照)のうち、化合物末端の反応性基である、-OH基、-NH2基及び-NCO基以外の部分構造をいう。また、a4、b4、d4、e4及びf4はそれぞれ各構成成分のポリマー中の含有量(モル%)を示し、a4+b4+d4+e4+f4=100モル%である。
下記式(P-4)において、「残基」とは、ポリウレアポリマーの合成に用いた化合物(表4参照)のうち、化合物末端の反応性基である、-OH基、-NH2基及び-NCO基以外の部分構造をいう。また、a4、b4、d4、e4及びf4はそれぞれ各構成成分のポリマー中の含有量(モル%)を示し、a4+b4+d4+e4+f4=100モル%である。
表4の略号については、上記表1~表3の注を参照。
[ポリイミドポリマーの合成]
以下のようにして、実施例に用いるポリイミドポリマーをそれぞれ合成した。得られたポリイミドポリマーは後述する式(P-5)で表される。
以下のようにして、実施例に用いるポリイミドポリマーをそれぞれ合成した。得られたポリイミドポリマーは後述する式(P-5)で表される。
<合成例6-1:ポリイミドポリマー(B-60)の合成>
200mLの3つ口フラスコに、4,4’-(2,2’-ヘキサフルオロイソプロピリデン)ジフタル酸無水物(6FDAA)2.5g、上記で合成した官能基含有炭化水素ポリマー(b-40)0.76gを投入し、THF50mLで溶解した。これに、2,2-ビス(4-アミノフェニル)ヘキサフルオロプロパン(6FPA)0.54gと、水素添加ポリイソプレンジオール(H-4、EPOL:商品名)1.7gと、末端ジアミンシリコーンKF8008(商品名、S-12)1.5gとをTHFに溶解させたTHF50mL溶液を加えた(THF溶液は滴下により加えた)。これを40℃で2時間加熱撹拌してポリアミック酸を合成した。
次に、無水酢酸2gとピリジン0.2gを加えて更に65℃で6時間加熱撹拌を行うことでイミド化反応を行った。得られたポリマー溶液をメタノールに加えて沈殿させた。得られた固体を固液分離して、真空オーブンで、60℃の温度下で12時間乾燥させた。このようにしてポリイミドポリマー(B-60)を得た。
200mLの3つ口フラスコに、4,4’-(2,2’-ヘキサフルオロイソプロピリデン)ジフタル酸無水物(6FDAA)2.5g、上記で合成した官能基含有炭化水素ポリマー(b-40)0.76gを投入し、THF50mLで溶解した。これに、2,2-ビス(4-アミノフェニル)ヘキサフルオロプロパン(6FPA)0.54gと、水素添加ポリイソプレンジオール(H-4、EPOL:商品名)1.7gと、末端ジアミンシリコーンKF8008(商品名、S-12)1.5gとをTHFに溶解させたTHF50mL溶液を加えた(THF溶液は滴下により加えた)。これを40℃で2時間加熱撹拌してポリアミック酸を合成した。
次に、無水酢酸2gとピリジン0.2gを加えて更に65℃で6時間加熱撹拌を行うことでイミド化反応を行った。得られたポリマー溶液をメタノールに加えて沈殿させた。得られた固体を固液分離して、真空オーブンで、60℃の温度下で12時間乾燥させた。このようにしてポリイミドポリマー(B-60)を得た。
<合成例6-2~6-11:ポリイミドポリマー(B-50)~(B-59)の合成>
ポリイミドポリマー(B-60)の合成方法において、各セグメントを導く化合物を表5に示す割合(モル比)で用いたこと以外は、ポリイミドポリマー(B-60)の合成方法と同様にして、ポリイミドポリマー(B-50)~(B-59)をそれぞれ合成した。
ポリイミドポリマー(B-60)の合成方法において、各セグメントを導く化合物を表5に示す割合(モル比)で用いたこと以外は、ポリイミドポリマー(B-60)の合成方法と同様にして、ポリイミドポリマー(B-50)~(B-59)をそれぞれ合成した。
得られたポリイミドポリマーは下記式(P-5)で表される。式(P-5)中、Zは、官能基含有炭化水素ポリマーに由来する-O-、-NH-又は酸無水物基が開環した基を示す。
下記式(P-5)において、「残基」とは、ポリイミドポリマーの合成に用いた化合物(表5参照)のうち、化合物の末端の反応性基である、酸無水物基、-OH基及び-NH2基以外の部分構造をいう。また、a5、b5、d5、e5及びf5はそれぞれ各構成成分のポリマー中の含有量(モル%)を示し、a15+b5+d5+e5+f5=100モル%である。
下記式(P-5)において、「残基」とは、ポリイミドポリマーの合成に用いた化合物(表5参照)のうち、化合物の末端の反応性基である、酸無水物基、-OH基及び-NH2基以外の部分構造をいう。また、a5、b5、d5、e5及びf5はそれぞれ各構成成分のポリマー中の含有量(モル%)を示し、a15+b5+d5+e5+f5=100モル%である。
(表の注)
6FDAA:4,4’-(2,2-ヘキサフルオロイソプロピリデン)ジフタル酸無水物
THFDAA:5-(2,5-ジオキソテトラヒドロフリル)-3-メチル-3-シクロヘキセン-1,2-ジカルボン酸無水物
PDAA:ピロメリット酸無水物
CHDAA:1,2,4,5-シクロヘキサンテトラカルボン酸二無水物
6FPA:2,2-ビス(4-アミノフェニル)ヘキサフルオロプロパン
DPEA:4,4’-ジアミノジフェニルエーテル
上記以外の略号は表1~表4の注を参照。
6FDAA:4,4’-(2,2-ヘキサフルオロイソプロピリデン)ジフタル酸無水物
THFDAA:5-(2,5-ジオキソテトラヒドロフリル)-3-メチル-3-シクロヘキセン-1,2-ジカルボン酸無水物
PDAA:ピロメリット酸無水物
CHDAA:1,2,4,5-シクロヘキサンテトラカルボン酸二無水物
6FPA:2,2-ビス(4-アミノフェニル)ヘキサフルオロプロパン
DPEA:4,4’-ジアミノジフェニルエーテル
上記以外の略号は表1~表4の注を参照。
[実施例1]
<固体電解質組成物の調製例>
ジルコニア製45mL容器(フリッチュ社製)に、直径5mmのジルコニアビーズを180個投入し、上記で合成したLPS4.75gと、表6に示すバインダー(B)0.25g(固形分質量)と、表6に示す分散媒17.0gとを投入した。その後、この容器をフリッチュ社製遊星ボールミルP-7にセットし、温度25℃、回転数300rpmで2時間混合して、固体電解質組成物No.S-1~S-15及びCS-1~CS-4をそれぞれ調製した。
ここで、No.S-1~S-15が本発明例であり、No.CS-1~CS-4が比較例である。
<固体電解質組成物の調製例>
ジルコニア製45mL容器(フリッチュ社製)に、直径5mmのジルコニアビーズを180個投入し、上記で合成したLPS4.75gと、表6に示すバインダー(B)0.25g(固形分質量)と、表6に示す分散媒17.0gとを投入した。その後、この容器をフリッチュ社製遊星ボールミルP-7にセットし、温度25℃、回転数300rpmで2時間混合して、固体電解質組成物No.S-1~S-15及びCS-1~CS-4をそれぞれ調製した。
ここで、No.S-1~S-15が本発明例であり、No.CS-1~CS-4が比較例である。
(表の注)
表中の%は固形分中の質量%を示す。
LPS:上記で合成したLi-P-S系ガラス
バインダー(B)の番号は上記で合成した各ポリマーの番号を示す。
BC-1:フッ素系ポリマー:PVdF-HFP(KYNAR FLEX2800-20:商品名、アルケマ社製)
BC-2:炭化水素ポリマー:SBR(スチレンブタジエンゴム、商品コード182907、アルドリッチ社製)
BC-3:アクリル系ポリマー(ポリメタクリル酸メチル-ポリメタクリル酸共重合体(50/50モル%)、商品コード376914、アルドリッチ社製)
BC-4:ウレタン系ポリマー(ジフェニルメタンジイソシアネート(50モル%)と1,4-ブタンジオール(30モル%)と2,2-ジメチロールブタン酸(20モル%)との付加重合体、上記合成例2-1と同様の方法で合成したもの。質量平均分子量は43000であった。)
表中の%は固形分中の質量%を示す。
LPS:上記で合成したLi-P-S系ガラス
バインダー(B)の番号は上記で合成した各ポリマーの番号を示す。
BC-1:フッ素系ポリマー:PVdF-HFP(KYNAR FLEX2800-20:商品名、アルケマ社製)
BC-2:炭化水素ポリマー:SBR(スチレンブタジエンゴム、商品コード182907、アルドリッチ社製)
BC-3:アクリル系ポリマー(ポリメタクリル酸メチル-ポリメタクリル酸共重合体(50/50モル%)、商品コード376914、アルドリッチ社製)
BC-4:ウレタン系ポリマー(ジフェニルメタンジイソシアネート(50モル%)と1,4-ブタンジオール(30モル%)と2,2-ジメチロールブタン酸(20モル%)との付加重合体、上記合成例2-1と同様の方法で合成したもの。質量平均分子量は43000であった。)
<全固体二次電池用シート(全固体二次電池用固体電解質含有シート)の作製>
上記で得られた各固体電解質組成物を厚み20μmのアルミ箔(集電体)上に、アプリケーター(商品名:SA-201ベーカー式アプリケーター、テスター産業社製)により塗布し、80℃2時間加熱して、固体電解質組成物を乾燥させた。その後、ヒートプレス機を用いて、所定の密度になるように120℃の温度及び600MPaの圧力で、乾燥させた固体電解質組成物を加熱及び加圧し、各全固体二次電池用シートNo.101~115及びc11~c14を得た。固体電解質層の膜厚は50μmであった。
上記で得られた各固体電解質組成物を厚み20μmのアルミ箔(集電体)上に、アプリケーター(商品名:SA-201ベーカー式アプリケーター、テスター産業社製)により塗布し、80℃2時間加熱して、固体電解質組成物を乾燥させた。その後、ヒートプレス機を用いて、所定の密度になるように120℃の温度及び600MPaの圧力で、乾燥させた固体電解質組成物を加熱及び加圧し、各全固体二次電池用シートNo.101~115及びc11~c14を得た。固体電解質層の膜厚は50μmであった。
<試験>
上記で作製した固体電解質含有シートについて、以下の試験を行った。以下に試験方法を記載し、結果を下記表7にまとめて記載する。
上記で作製した固体電解質含有シートについて、以下の試験を行った。以下に試験方法を記載し、結果を下記表7にまとめて記載する。
(試験例1:耐傷性の評価)
全固体二次電池用シートを10cm×20cmの長方形に切り出した。切り出したシートの表面部を、10mmφのアルミ箔に荷重1.0gをかけて、連続加重式引掻強度試験機「TYPE:18/18L」(新東科学社製)を用いて、片道5cmずつ合計20往復擦った。擦ったシート表面を検査用光学顕微鏡「エクリプスCi」(商品名、ニコン社製)で観察して、固体電解質層の欠け、割れ若しくはヒビの有無、及び、固体電解質層のアルミ箔からの剥がれの有無を、以下の基準で評価した。本試験において、評価基準「C」以上が合格である。
-評価基準-
A:欠陥(欠け、割れ、ヒビ及び剥がれ)が全く見られなかった
B:欠陥部分の面積が、観測対象となる全面積のうち0%越え10%以下
C:欠陥部分の面積が、観測対象となる全面積のうち10%越え30%以下
D:欠陥部分の面積が、観測対象となる全面積のうち30%越え90%以下
E:欠陥部分の面積が、観測対象となる全面積のうち90%越えた
欠陥部分の面積は、固体電解質層の表面積に換算した面積(投影面積)である。
全固体二次電池用シートを10cm×20cmの長方形に切り出した。切り出したシートの表面部を、10mmφのアルミ箔に荷重1.0gをかけて、連続加重式引掻強度試験機「TYPE:18/18L」(新東科学社製)を用いて、片道5cmずつ合計20往復擦った。擦ったシート表面を検査用光学顕微鏡「エクリプスCi」(商品名、ニコン社製)で観察して、固体電解質層の欠け、割れ若しくはヒビの有無、及び、固体電解質層のアルミ箔からの剥がれの有無を、以下の基準で評価した。本試験において、評価基準「C」以上が合格である。
-評価基準-
A:欠陥(欠け、割れ、ヒビ及び剥がれ)が全く見られなかった
B:欠陥部分の面積が、観測対象となる全面積のうち0%越え10%以下
C:欠陥部分の面積が、観測対象となる全面積のうち10%越え30%以下
D:欠陥部分の面積が、観測対象となる全面積のうち30%越え90%以下
E:欠陥部分の面積が、観測対象となる全面積のうち90%越えた
欠陥部分の面積は、固体電解質層の表面積に換算した面積(投影面積)である。
(試験例2:耐屈曲性の評価)
全固体二次電池用シートを10cm×20cmの長方形に切り出した。切り出したシートを、円筒形マンドレル試験機「商品コード056」(マンドレル直径10mm、Allgood社製)を用いて、日本工業規格(JIS) K5600-5-1(耐屈曲性(円筒形マンドレル:タイプ1の試験装置を用いた試験)、国際標準規格(ISO)1519と同試験。)に従って、屈曲させた。耐傷性の評価と同様にして欠陥の有無を確認し、以下の基準で評価した。本試験において、評価基準「C」以上が合格である。
-評価基準-
A:欠陥(欠け、割れ、ヒビ及び剥がれ)が全く見られなかった
B:欠陥部分の面積が、観測対象となる全面積のうち0%越え10%以下
C:欠陥部分の面積が、観測対象となる全面積のうち10%越え30%以下
D:欠陥部分の面積が、観測対象となる全面積のうち30%越え90%以下
E:欠陥部分の面積が、観測対象となる全面積のうち90%越えた
全固体二次電池用シートを10cm×20cmの長方形に切り出した。切り出したシートを、円筒形マンドレル試験機「商品コード056」(マンドレル直径10mm、Allgood社製)を用いて、日本工業規格(JIS) K5600-5-1(耐屈曲性(円筒形マンドレル:タイプ1の試験装置を用いた試験)、国際標準規格(ISO)1519と同試験。)に従って、屈曲させた。耐傷性の評価と同様にして欠陥の有無を確認し、以下の基準で評価した。本試験において、評価基準「C」以上が合格である。
-評価基準-
A:欠陥(欠け、割れ、ヒビ及び剥がれ)が全く見られなかった
B:欠陥部分の面積が、観測対象となる全面積のうち0%越え10%以下
C:欠陥部分の面積が、観測対象となる全面積のうち10%越え30%以下
D:欠陥部分の面積が、観測対象となる全面積のうち30%越え90%以下
E:欠陥部分の面積が、観測対象となる全面積のうち90%越えた
(試験例3:イオン伝導度の評価)
上記で得られた固体電解質含有シートを直径14.5mmの円板状に2枚切り出し、塗布面(固体電解質層の表面)を貼り合わせて(図2中、符号15、図3中、符号17で示す。)、図3に示すように、スペーサーとワッシャー(ともに図示せず)を組み込んで、ステンレス製の2032型コインケース16(図2において14)に入れた(コイン型の全固体二次電池18を作製した)。これを図2に示すように、下部支持板12と上部支持板11とに全固体二次電池13(図2において18)を挟んで、トルクレンチでネジSを8ニュートン(N)の力で締め付けて、イオン伝導度測定用試験体101~115及びc11~c14を作製した。
上記で得られた各イオン伝導度測定用試験体を用いて、イオン伝導度を測定した。具体的には、30℃の恒温槽中、1255B FREQUENCY RESPONSE ANALYZER(商品名、SOLARTRON社製)を用いて、電圧振幅5mV、周波数1MHz~1Hzまで交流インピーダンス測定した。これにより、貼り合わせた固体電解質含有シート(試料)の膜厚方向の抵抗を求め、下記式(I)により計算して、イオン伝導度を求めた。
上記で得られた固体電解質含有シートを直径14.5mmの円板状に2枚切り出し、塗布面(固体電解質層の表面)を貼り合わせて(図2中、符号15、図3中、符号17で示す。)、図3に示すように、スペーサーとワッシャー(ともに図示せず)を組み込んで、ステンレス製の2032型コインケース16(図2において14)に入れた(コイン型の全固体二次電池18を作製した)。これを図2に示すように、下部支持板12と上部支持板11とに全固体二次電池13(図2において18)を挟んで、トルクレンチでネジSを8ニュートン(N)の力で締め付けて、イオン伝導度測定用試験体101~115及びc11~c14を作製した。
上記で得られた各イオン伝導度測定用試験体を用いて、イオン伝導度を測定した。具体的には、30℃の恒温槽中、1255B FREQUENCY RESPONSE ANALYZER(商品名、SOLARTRON社製)を用いて、電圧振幅5mV、周波数1MHz~1Hzまで交流インピーダンス測定した。これにより、貼り合わせた固体電解質含有シート(試料)の膜厚方向の抵抗を求め、下記式(I)により計算して、イオン伝導度を求めた。
イオン伝導度(mS/cm)= 1000×試料膜厚(cm)/(抵抗(Ω)×試料面積(cm2))・・・式(I)
上記表7から明らかなように、少なくとも官能基含有炭化水素ポリマーセグメトを有しないバインダーを含有する固体電解質組成物から作製したNo.c11~c14の固体電解質含有シートは、耐傷性、耐屈曲性及びイオン伝導度を高い水準でバランスよく兼ね備えるものではない。
これに対して、セグメントaと官能基含有炭化水素ポリマーセグメトとを有するバインダー(B)を含有する本発明の固体電解質組成物から作製した固体電解質含有シートNo.101~115は、いずれも、耐傷性、耐屈曲性及びイオン伝導度を高い水準でバランスよく兼ね備えていることが分かる。
これに対して、セグメントaと官能基含有炭化水素ポリマーセグメトとを有するバインダー(B)を含有する本発明の固体電解質組成物から作製した固体電解質含有シートNo.101~115は、いずれも、耐傷性、耐屈曲性及びイオン伝導度を高い水準でバランスよく兼ね備えていることが分かる。
[実施例2]
実施例2では、全固体二次電池用電極シートを作製して、その性能を評価した。
<電極層用組成物の調製>
ジルコニア製45mL容器(フリッチュ社製)に、直径5mmのジルコニアビーズを180個投入し、実施例1で合成したLPS2.0gと、バインダー(B)0.1gと、分散媒としてオクタン22gとを投入した。その後に、この容器をフリッチュ社製遊星ボールミルP-7にセットし、温度25℃で、回転数300rpmで2時間攪拌した。その後、表8に示す電極活物質7.9gを容器に投入し、再びこの容器を遊星ボールミルP-7にセットし、温度25℃、回転数100rpmで15分間混合を続けた。このようにして、電極用組成物P-1を得た。
電極用組成物P-1の調製において、電極活物質、バインダー(B)及び/又は分散媒と、その使用量とを、表8に示すように変更したこと以外は、電極用組成物P-1の調製と同様にして、電極用組成物P-2~P-15及びCP-1~CP-5をそれぞれ調製した。
実施例2では、全固体二次電池用電極シートを作製して、その性能を評価した。
<電極層用組成物の調製>
ジルコニア製45mL容器(フリッチュ社製)に、直径5mmのジルコニアビーズを180個投入し、実施例1で合成したLPS2.0gと、バインダー(B)0.1gと、分散媒としてオクタン22gとを投入した。その後に、この容器をフリッチュ社製遊星ボールミルP-7にセットし、温度25℃で、回転数300rpmで2時間攪拌した。その後、表8に示す電極活物質7.9gを容器に投入し、再びこの容器を遊星ボールミルP-7にセットし、温度25℃、回転数100rpmで15分間混合を続けた。このようにして、電極用組成物P-1を得た。
電極用組成物P-1の調製において、電極活物質、バインダー(B)及び/又は分散媒と、その使用量とを、表8に示すように変更したこと以外は、電極用組成物P-1の調製と同様にして、電極用組成物P-2~P-15及びCP-1~CP-5をそれぞれ調製した。
<全固体二次電池用電極シートの作製>
上記で得られた各電極層用組成物を厚み20μmのステンレス箔(集電体)上に、上記ベーカー式アプリケーターにより塗布し、80℃2時間加熱して、各電極用組成物を乾燥させた。その後、ヒートプレス機を用いて、所定の密度になるように乾燥させた電極層用組成物を加熱(120℃)しながら加圧(600MPa、1分)した。このようにして、電極活物質層を有する全固体二次電池用電極シートNo.P-1~P-15及びCP-1~CP-5を作製した。電極活物質層の膜厚は100μmであった。
上記で得られた各電極層用組成物を厚み20μmのステンレス箔(集電体)上に、上記ベーカー式アプリケーターにより塗布し、80℃2時間加熱して、各電極用組成物を乾燥させた。その後、ヒートプレス機を用いて、所定の密度になるように乾燥させた電極層用組成物を加熱(120℃)しながら加圧(600MPa、1分)した。このようにして、電極活物質層を有する全固体二次電池用電極シートNo.P-1~P-15及びCP-1~CP-5を作製した。電極活物質層の膜厚は100μmであった。
<試験>
上記で作製した全固体二次電池用電極シートについて、固体電解質含有シートと同様にして、上記(試験例1:耐傷性の評価)及び上記(試験例2:耐屈曲性の評価)を行った。また、得られた各全固体二次電池用電極シートを用いて作製したコイン電池を用いて、上記(試験例3:イオン伝導度の評価)を行った。結果を下記表8にまとめて記載する。
上記で作製した全固体二次電池用電極シートについて、固体電解質含有シートと同様にして、上記(試験例1:耐傷性の評価)及び上記(試験例2:耐屈曲性の評価)を行った。また、得られた各全固体二次電池用電極シートを用いて作製したコイン電池を用いて、上記(試験例3:イオン伝導度の評価)を行った。結果を下記表8にまとめて記載する。
(表の注)
LPS:上記で合成したLi-P-S系ガラス
バインダー(B)の番号は上記で合成した各ポリマーの番号を示す。
NCA:LiNi0.85Co0.10Al0.05O2 ニッケルコバルトアルミニウム酸リチウム
NMC:LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 ニッケルマンガンコバルト酸リチウム
LPS:上記で合成したLi-P-S系ガラス
バインダー(B)の番号は上記で合成した各ポリマーの番号を示す。
NCA:LiNi0.85Co0.10Al0.05O2 ニッケルコバルトアルミニウム酸リチウム
NMC:LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 ニッケルマンガンコバルト酸リチウム
上記表8から明らかなように、少なくとも官能基含有炭化水素ポリマーセグメトを有しないバインダー(B)を含有する電極層用組成物から作製したNo.CP-1~CP-5の全固体二次電池用電極シートは、耐傷性、耐屈曲性及びイオン伝導度を高い水準でバランスよく兼ね備えるものではない。
これに対して、セグメントaと官能基含有炭化水素ポリマーセグメトとを有するバインダー(B)を含有する本発明の電極層用組成物から作製した全固体二次電池用電極シートNo.P-1~P-15は、いずれも、バインダー(B)の含有量が1質量%という低いものであっても、耐傷性、耐屈曲性及びイオン伝導度を高い水準でバランスよく兼ね備えていることが分かる。
これに対して、セグメントaと官能基含有炭化水素ポリマーセグメトとを有するバインダー(B)を含有する本発明の電極層用組成物から作製した全固体二次電池用電極シートNo.P-1~P-15は、いずれも、バインダー(B)の含有量が1質量%という低いものであっても、耐傷性、耐屈曲性及びイオン伝導度を高い水準でバランスよく兼ね備えていることが分かる。
上述の実施例1及び実施例2の結果から、本発明の固体電解質組成物を用いて作製した固体電解質含有シートないしは全固体二次電池用電極シートは、全固体二次電池に用いると、高いイオン伝導度と、更には短絡発生を抑制できるという優れた特性を全固体二次電池に付与できることが分かる。また、固体電解質含有シートないしは全固体二次電池用電極シートを全固体二次電池の製造に用いると、全固体二次電池の生産適性に優れ、歩留まりを向上させることもできる。
本発明をその実施態様とともに説明したが、我々は特に指定しない限り我々の発明を説明のどの細部においても限定しようとするものではなく、添付の請求の範囲に示した発明の精神と範囲に反することなく幅広く解釈されるべきであると考える。
本願は、2017年2月16日に日本国で特許出願された特願2017-26993、及び、2017年6月9日に日本国で特許出願された特願2017-114185に基づく優先権を主張するものであり、これらはいずれもここに参照してその内容を本明細書の記載の一部として取り込む。
1 負極集電体
2 負極活物質層
3 固体電解質層
4 正極活物質層
5 正極集電体
6 作動部位
10 全固体二次電池
11 上部支持板
12 下部支持板
13、18 全固体二次電池
14、16 2032型コインケース
15、17 固体電解質含有シート又は全固体二次電池用電極シート
S ネジ
2 負極活物質層
3 固体電解質層
4 正極活物質層
5 正極集電体
6 作動部位
10 全固体二次電池
11 上部支持板
12 下部支持板
13、18 全固体二次電池
14、16 2032型コインケース
15、17 固体電解質含有シート又は全固体二次電池用電極シート
S ネジ
Claims (17)
- 周期律表第一族又は第二族に属する金属のイオンの伝導性を有する無機固体電解質(A)と、バインダー(B)とを含有する固体電解質組成物であって、
前記バインダー(B)が、ウレタン結合、ウレア結合、アミド結合、イミド結合及びエステル結合から選ばれる少なくとも1種の結合を主鎖に有するセグメントaと、下記官能基群から選ばれる少なくとも1種を有する官能基含有炭化水素ポリマーセグメントとを有する、無機固体電解質組成物。
<官能基群>
カルボン酸基、スルホン酸基、リン酸基、ヒドロキシ基、アミノ基、シアノ基、アルコキシシリル基、芳香族炭化水素環基、芳香族複素環基、3環以上が縮環した脂肪族炭化水素環基 - 前記セグメントaが、ウレタン結合、ウレア結合、アミド結合及びイミド結合から選ばれる少なくとも1種の結合を主鎖に有するハードセグメントである請求項1に記載の無機固体電解質組成物。
- 前記式(1)中の部分構造-L11-A、又は、前記式(2)中の部分構造-L12-Aが、下記式(3)又は式(4)で示される請求項3に記載の固体電解質組成物。
- 前記バインダー(B)が、数平均分子量300以上の、ポリアルキレンエーテル鎖、ポリエステル鎖、ポリカーボネート鎖及びシリコーン鎖から選ばれる少なくとも1種の鎖を有するソフトセグメントを有する請求項1~4のいずれか1項に記載の固体電解質組成物。
- 前記バインダー(B)が、前記官能基群から選ばれる官能基を含まない官能基非含有炭化水素ポリマーセグメントを有する請求項1~5のいずれか1項に記載の固体電解質組成物。
- 前記バインダー(B)が、平均粒子径10~1000nmの粒子状ポリマーである請求項1~6のいずれか1項に記載の固体電解質組成物。
- 分散媒(C)を含有する請求項1~7のいずれか1項に記載の固体電解質組成物。
- 活物質(D)を含有する請求項1~8のいずれか1項に記載の固体電解質組成物。
- 導電助剤(E)を含有する請求項1~9のいずれか1項に記載の固体電解質組成物。
- 前記無機固体電解質(A)が、硫化物系無機固体電解質である請求項1~10のいずれか1項に記載の固体電解質組成物。
- 周期律表第一族又は第二族に属する金属のイオンの伝導性を有する無機固体電解質(A)と、バインダー(B)とを含有する固体電解質含有シートであって、
前記バインダー(B)が、ウレタン結合、ウレア結合、アミド結合、イミド結合及びエステル結合から選ばれる少なくとも1種の結合を主鎖に有するセグメントaと、下記官能基群から選ばれる少なくとも1種を有する官能基含有炭化水素ポリマーセグメントとを有する、固体電解質含有シート。
<官能基群>
カルボン酸基、スルホン酸基、リン酸基、ヒドロキシ基、アミノ基、シアノ基、アルコキシシリル基、芳香族炭化水素環基、芳香族複素環基、3環以上が縮環した脂肪族炭化水素環基 - 請求項12に記載の固体電解質含有シートの製造方法であって、
前記無機固体電解質(A)と、前記バインダー(B)と、分散媒(C)とを含有する固体電解質組成物を基材上に塗布する工程と、塗布した固体電解質組成物を乾燥する工程とを含む固体電解質含有シートの製造方法。 - 正極活物質層、負極活物質層及び固体電解質層を具備する全固体二次電池であって、
前記正極活物質層、前記負極活物質層及び前記固体電解質層の少なくとも1つの層が、周期律表第一族又は第二族に属する金属のイオンの伝導性を有する無機固体電解質(A)とバインダー(B)とを含有し、
前記バインダー(B)が、ウレタン結合、ウレア結合、アミド結合、イミド結合及びエステル結合から選ばれる少なくとも1種の結合を主鎖に有するセグメントaと、下記官能基群から選ばれる少なくとも1種を有する官能基含有炭化水素ポリマーセグメントとを有する、全固体二次電池。
<官能基群>
カルボン酸基、スルホン酸基、リン酸基、ヒドロキシ基、アミノ基、シアノ基、アルコキシシリル基、芳香族炭化水素環基、芳香族複素環基、3環以上が縮環した脂肪族炭化水素環基 - 請求項13に記載の固体電解質含有シートの製造方法を介して、全固体二次電池を製造する、全固体二次電池の製造方法。
- ウレタン結合、ウレア結合、アミド結合、イミド結合及びエステル結合から選ばれる少なくとも1種の結合を主鎖に有するセグメントaと、炭化水素ポリマーセグメントとを有するポリマーであって、
前記炭化水素ポリマーセグメントが、下記式(1)で表される繰り返し単位及び下記式(2)で表される繰り返し単位から選ばれる少なくとも1種の繰り返し単位を有するポリマー。
- 請求項16に記載のポリマーの非水溶媒分散物。
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